Una descripción del experimento de los Curie

Una descripción del experimento de los Curie

Unadescripcióndelexperimento
delosCurie
J.M.LópezSancho1(IFF‐CSIC.ElCSICenlaEscuela)
E.MorenoGómez2(VACC‐CSIC.ElCSICenlaEscuela)
[email protected]@orgc.csic.es
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Palabrasclave
Curie,radiactividad,Roentgen,Rutherford,experimento,cámaraionización,
piezoeléctrico,electrómetro.
Resumen
Describimosbrevementelosantecedentesyelparadigmacientíficoquerodearon
lasexperienciasdelosCurieaprincipiosdelsigloXX.
RealizamosunestudiodelequipamientoutilizadoenellaboratoriodeMarieCurie
conlosesquemasdefuncionamientodelosdistintosinstrumentosdemediday,a
mododeejemplo,recreamosunprocesotípicodemedidadelosrealizadospor
MarieCurie.
EstapublicaciónsecomplementaconelLaboratorioCuriepublicadoenelMuseo
VirtualdelaCienciadelCSIC.
Antecedentes
Estamosen1897.RoentgenacabadedescubrirlosrayosX.Entreotras
propiedadestienenlacapacidaddeatravesarcuerposopacosydeionizarlosgases
yhacerlosconductores.Estaúltimacaracterísticaladescubrióutilizandoun
aparatosimilaralquepresentamosenlafigurasiguiente.
Esemismoaño,inspiradoporlosresultadosdeRoentgen,Becquerelhabía
descubiertolaexistenciadeunanuevaradiacciónemitidaporeluranioycon
característicassimlaresalasdelosrayosX,yaquetambienatravesabanlos
cuerposopacosalaluzvisbleeimpresioanbanlasplacasfotográficas.
Comoeslógico,BecquerelrepitiólosexperimentosdeRoentgensobre
conductividadinducidaengasesconelpropósitodecomprobarsilosnuevosrayos
uránicostambiénlaproducían.Elexperimentolorealizócolocandosalesdeuranio
enelfondodeunfrascoqueconteníaunelectrómetrodehojasdeoro,talcomo
describeenlapágina18desulibroSurunepropiéténouvelledelamatiere.Las
salespodíancubrirsepordiferentespantallas:papel,láminasdemetaldediferrnes
grosores,etc.,paradeterminarsupoderdepenetración.
Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html U
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Apesardequesusdeterminacionesnollegaronasercuantitativaseste
experimentoconstituyeelprimerestudiosobrelaspropiedadesdelosnuevos
rayos.
Enesamismaobrapresentaalgunosresultadosexperimentales,comolosdela
Figura1.
Figura 1. Electrómetro y tabla de resultados de Becquerel. Modificado de Recherches sur une propriété nouvelle de la matière. Becquerel 1903.
EstapropiedadionizarlasmoléculasdelosgaseseslaqueutilizarontantoMarie
CuriecomoRutherfordparacomenzarsusexperimentossobrefísicanuclear,
aunquecondiferentesobjetivos.Marie,paradescubrirlosnuevoselementos
radiactivosyRutherfordparaestudiarenprofundidadlanaturalezadela
radiaciónylascaracterísticasdelnúcleo.
SobreestetemaMarieintroduce,ensuautobiografía,elsiguientecomentario:
“Meparecióqueloprimeroquedebíahacererallevaracabomedidasprecisasdel
fenómeno.Yparaellodecidíutilizarlapropiedaddelosrayosqueproducíala
descargadelelectroscopio.Noobstante,envezdeutilizarelelectroscopio
normalmenteutilizadoparaelloutilicéunaparatodemásprecisión”.
Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html SistemaexperimentaldeCurie
Comoesnatural,elprimerelementoqueeranecesariodiseñarparadeterminarla
conductividaddelairesometidoalasradiacionesuránicaseralacámarade
ionización.
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Elfuncionamientodeunacámaradeionizaciónesmuysimple(sepuedeverun
esquemaanimadoenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC).Elaireesionizado
porefectodelaradiacióndelamuestraintroducidaenlacámara,produciéndose
ionespositivosyelectroneslibres.Losionespositivossedirigenalaplacanegativa
yloselectronescorrespondientesalaplacapositiva,aportando,duranteeltiempo
tqueduraelexperimento,unacargatotalQacadaplaca(Figura2).
Figura 2. Fotograma de la animación que muestra el funcionamiento de una Cámara de ionización. J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez (2014). Lacorrientedeionizaciónresultantees,
I=Q/t
queenelcasodelexperimentodequenosocupaesdelordendelpicoamperio
(10‐12Amperios).ElproblemaconqueseenfrentabaMarieCurieeraeldemedir
conexactitudestacorriente.
Alolargodesusexperimentosdebiódeutilizarvariascámarasdeionización:En
sutratadoderadioactividaddescribeunaconanillodeguarda.
Polarizandolaplacainferiorconunos100voltiosyconectandolaplacacentral
superioraunpicoamperímetrodelosqueseencuentranactualmenteenel
mercado(deresistenciaprácticamentenula),lamedidanotendríaninguna
dificultad.
Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html PeroafinalesdelsigloXIXnoexistíaninstrumentosdeesetipo.Sólosedisponíade
electroscopiosodeelectrómetrosdeltipodeKelvin,decuadrantes,demanejo
muydelicado(yque,enrealidad,medíanvoltajes).
EsseguroqueensusexperimentospreviosMarieutilizóunodeesos
electrómetrosparamedirlacaídadetensiónproducidaenlacámaracomo
resultadodelaionizacióndelaire,comohizoRutherford(sepuedeverun
esquemaanimadoenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC).
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Antesdecomenzarelexperimentolaplacapositivadelacámaradeionizaciónse
encuentraconectadaatierra.Enelinstanteinicialseeliminaesaconexión,de
maneraquelacargapositivaquedesaparecedelaarmadurapositivanopuedeser
reemplazacomoenlaanimaciónanterior,yaquelaresistenciadelelectrómetroes
prácticamenteinfinita.Comoresultado,encadaintervalodetiempodtlacorriente
deionescedealasplacasunacarga
dq=I·dt
EstacargaproduceunavariacióndetensióndVenlosbornesdelvoltímetro,
dV=dq/C
dondeClacapacidadtotaldelsistemademedida.
Elgeneradorpiezoeléctrico
Perolacapacidaddelsistemademedidaerademasiado
grande,delordendelos150picofaradiosylas
intensidadesdebidasalaionizacióndelairemuy
débiles(avecesinferioraunpicoamperio,comohemos
dicho),porloqueestemontajenoerasuficientemente
sensible.
PorelloPierreyMarieCurieconstruyeronunbancode
medidasconunelectrómetrodecuadrantesmuy
sensible,diseñadoporPierreCurie(queactuabacomo
voltímetrodetectordecero)yungeneradorde
corrientequecompensabalaquedesaparecíadelaFigura 3. G. Piezoeléctrico.CSIC.
armadurapositivadelacámaraporlallegadadeloselectrones
deionizacióndelaire.EstegeneradorpiezoeléctricofuediseñadoporJacquesy
PierreCurie,(descubridoresdelapiezoelectricidad),algunosañosantes,elCSIC
conservaunoubicadoenelMuseoNacionaldeCienciasNaturales(Figura3).
Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html U
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Su funcionamiento es muy fácil de entender (sepuedeverunesquemaanimadoen
elMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC). Cuando se estira un cristal de cuarzo (Figura 3) cortado de forma apropiada, aparecen cargas en las caras perpendiculares a la dirección de la fuerza. Estas cargas de superficie inducen, a su vez, cargas en las armaduras que las recubren. Cuando se aumenta el valor de la fuerza aplicada aumenta la carga cautiva en sus láminas laterales, y cuando esa fuerza disminuye el aparato libera parte de la carga cautiva. Figura 3. Fotograma de la animación que muestra el funcionamiento de un Generador Piezoeléctrico. J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez (2014). Laintroduccióndeesteinstrumentoenelmétododemedidaesunaaportación
importantedePierreyMarieCuriealprocesodemedidadebajascorrientes,que
seutilizóhastalosañoscuarentadelsiglopasadoenqueaparecieronlos
amplificadoresdetuboselectrónicos.
Elesquemageneraldelbancodemedidas(Figura4),talcomolorepresentóen
TraitédeRadiactivité(M.Curie,1910).
Figura 4. Esquema general del banco de medidas. Modificado de Curie, 1910.
Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html Elexperimento
Sobrelamesaexperimentalestánsituadoslosseiselementosqueintervienen:la
cámaradeionizaciónCI,labateríadepolarizaciónB2,elgeneradordecorriente
piezoeléctricoGP(uncuarzomontadocomogeneradordecarga,delamaneraque
sedescribeenlafichacorrespondiente),elelectrómetrodecuadrantesEC,el
interruptorINyelcronómetroCR.
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Conobjetodeestudiardetalladamenteelprocesodemedida,hemossustituidosu
esquemaoriginalporotro(Figura5)similar,peromásapropiadoparautilizaren
lasanimacionespublicadasenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC.
Figura 5. Esquema del experimento de Curie. J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. CSIC, 2014. Acontinuaciónrecrearemosunprocesotípicodemedidadelosrealizadospor
MarieCurie.[Estasecciónestáacompañadadeunaseriedeanimacionesque
puedenvisualizarseenelMuseovirtualdelaCienciadelCSIC]
Antesdecomenzarelexperimentosecolocalacantidaddematerialradiactivo
sobrelaplacainferiordelacámaraysecargaelcuarzopiezoeléctricoconmasade
300gramossuspendidaenelplatilloqueestiraelcristal.Elinterruptorse
encuentracerrado,conlocuallasdosarmadurasdelaparatoseencuentrana
tierra.Asimismolaplacapositivadelacámaraseencuentraatierrayelvoltímetro
encorto.
Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html Enelinstanteenqueseiniciaelexperimentoseabreelinterruptory,
simultáneamente,seponeenmarchaelcronómetro.
Lacorrientedeionizaciónenlacámaraproduceunadisminucióndelacargaen
ambasarmaduras.Losionespositivosquelleganalaplacainferiordelacámara
neutralizansucarganegativa,peroéstaessustituidainmediatamentepor
electronesprovenientesdelabatería.
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Simultáneamenteloselectronesquelleganalaplaca
positivadelacámaravanneutralizandolascargas
positivasiniciales(quenopuedenreponersealestar
aisladadetierraporlaresistenciainfinitadel
electrómetro)ysupotencialsehacenegativo;esto
hacequesemuevalaagujadelelectrómetro(Figura
6)enladireccióncorrespondiente(enel
experimentodeCurieloquesedesvíaeselpuntode
luzreflejadosobrelareglatranslúcida).
Figura 6. Reflejo del punto de luz.
EnesteinstanteMarieaplicaunalevefuerzahaciaarribaparadisminuirelpeso
quesoportaelplatillodelcuarzopiezoeléctrico,queenlaanimaciónpasade300a
200gramos.Estodisminuyelascargasdesuperficiedelcristalyliberalacarga
positivanecesariaparacompensarlaquehaperdidolaplacasuperiorporefecto
delacorrientedeelectronesdeionización,volviendoa0voltioslalecturadel
electrómetro.Laimportanciademantenerlalecturadelvoltímetroaceroesque
asíseaseguraquelacorrientequevadesdelaarmadurapositivadelcuarzoala
placasuperiordelacámaraessiempreconstanteylatensiónentreplacas
permaneceigualaladepolarizaciónsuministradaporlaspilas.
Elprocesocontinúahastaquelapesanoejerceningunafuerzasobreelplatillo,
siendoimposiblemantenerlaagujadelelectrómetroa0voltios.Enesemomento
separaelcronómetro,quesupondremosquemarca200segundos.
Comoconocemosexactamentelacargainicialdelcuarzopiezoeléctrico,6·10‐10
Culombios,yeltiempotranscurrido,200segundos,esfácilcalcularlacorriente:
3·10‐12Amperios.Estacorrientenosindicafielmentelaactividaddelamuestra
radiactiva.
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Acontinuación(Figura7)incluimosunapáginadeloscarnetsdeladécouverte
dondeMarieanotólascorrientesdeionizaciónexpresadasenpicoamperios,de
diferentesmuestras.
Figura 7. Anotaciones de Marie Curie, Carnets de la découverte 1897‐1900. Modificado de Pierre et Marie Curie. Papiers.
Elmargendeerror
Unaúltimapalabrasobrelasdesviacionesdelvalordelacorrienteentornoal
valormedio.Comohemosvisto,elpapeldeloperadorconsisteenmantenerla
indicacióndelelectrómetroacero,actuandocomoundispositivode
realimentaciónnegativasobrelafuentedecorriente.Silacargaqueadquierela
placapositivadelacámaraaumentasobreelvalorderepososeejercemenos
fuerzahaciaarribasobrelapesa,ysilacargadisminuyeseaumentalafuerzahacia
arriba,demaneraquelacargaliberadaporelpiezoeléctricoseaexactamenteigual
aladelacorrienteiónicageneradaporlaradiación.Enelcasodelmontaje
original,lasensibilidaddelaparatodemedidaera40milivoltiosporcentímetrode
desviaciónenlareglatransparentequeMarietienedelantedeella.
Estoquieredecirqueelerrorenlacargaesde4picoculombios(4·10‐12
Culombios).Comolacámaratieneunacapacidadde0,3picofaradios,los40
milivoltiosequivalenaunacargade1,2·10‐14Culombios,loquerepresentaun
errormenordelunopormilparaunadesviaciónde1centímetroenlaregla
transparente.Siseañadeaestoelquelasvariacionesdelaseñalluminosa
fluctuaríanentornoalceropodemosdecir,aunquelaamplituddelasfluctuaciones
alcanzaselos5centímetros,queelerrordelamedidaesinferioral1%.
Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html Referenciasbibliográficas
‐BECQUEREL,H.Recherchessurunepropriéténouvelledelamatière:activité
radiantespontanéeouradioactivitédelamatière.1903.MedicalHeritageLibrary.
InternetArchive.https://archive.org/details/recherchessurune00becq
‐BOUQUET,A.Radioactivité:LesCurie.
http://evelyne.bouquet.free.fr/WebAlain/particules/120_curie.htm
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‐CHÉNEVEAU,C.Méthodeetappareilsdemesuredelaradioactivité.LeRadium.
1904.
‐CURIE,M.Traitéderadioactivité.RadioactivityVol.2.Paris,Gauthier.1910.
https://archive.org/details/traitderadioac02curi
‐CURIE,P.&CURIE,M.Papiers.I‐ŒUVRESETTRAVAUXSCIENTIFIQUES.1898.
BNF.http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/btv1b8451521n/f12.image
‐RUTHERFORD,E.UraniumRadiationandtheElectricalConductionProducedbyIt.
PhilosophicalMagazine.1899.
http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/rutherford99/eng.pdf
FuentesdelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC
‐Cámaradeionización.Esquemasanimados.
http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1a.html
‐GeneradorPiezoeléctrico.FichadelInstrumentoyesquemaanimado.
http://museovirtual.csic.es/csic75/instrumentos/cuarzo_piezoelectrico/cuarzo_piezoelectrico.html
‐ElExperimentodeCurie.Esquemasanimados.
http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1c.html
‐LaboratorioCurie.VersiónWEBdeesteartículo.
http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html
Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html