Marie Curie y la era Nuclear

John Archibald Wheeler, en el año del centenario del nacimiento de Maria Sklodowska (Marie Curie), la consideraba nuestro particular Copérnico en el viaje de la exploración dentro del increíble mundo pequeño. Y es que si Copérnico revoluciono la visión del universo lanzando a la Tierra fuera de su centro, Curie nos introdujo de pleno en la era Nuclear. Referencias: Marie Curie, Pierre Curie, polonio, radio, radioactividad.

La película de Tim Burton “Alicia en el país de las maravillas” me ha hecho recordar que el descubrimiento de la radioactividad a finales del siglo XIX se produjo por una serie fortuita de casualidades, acompañadas de los nuevos avances tecnológicos en la fotografía y las comunicaciones.

Nuevos descubrimientos sobre los fenómenos electromagnéticos y la luz a finales del siglo XIX condujeron a la invención de la placa fotográfica. Nació la afición a la fotografía y esto condujo a simplificar la tecnología hasta el punto de convertirse en un hobby para muchos. La técnica fotográfica avanzo enormemente entre 1851-1895. Lewis Carrol (1832-1898), pseudónimo artístico de Charles Lutwigde Dodgson, fue un gran aficionado a la fotografía. Logró tener un estudio propio y se ofrecía a realizar retratos, una de sus pasiones era fotografiar a las hijas de sus familiares y amigos. Precisamente la siguiente pertenece a Alice Liddell, la inspiración para el personaje de su cuento.

En 1985 el físico Wilhem Conrad Röntgen descubrió unos rayos invisibles que eran capaces de velar las placas fotográficas. A estos rayos desconocidos los denominó rayos X.

Primera radiografía

Descubrimiento de los rayos uránidos

Henry Becquerel, hijo y nieto de físicos, en el año 1896 estaba investigando sobre la fluorescencia de una sal de uranio (sulfato potásico de uranilo) y se le ocurrió pensar que la fluorescencia estaba relacionada con los rayos X descubiertos por Röntgen. Al mismo tiempo tuvo la ocurrencia de registrar la fluorescencia en placas fotográficas, puesto que las sales de uranio emitían fluorescencia después de estar expuestas a la luz solar. El 26 y 27 de febrero de 1896 fueron días nublados en Paris y puesto que no podía realizar la exposición de las sales de uranio al Sol, guardó en un cajón una lamina de sal de uranio, que no había estado expuesta a la luz solar, junto con unas placas fotográficas perfectamente protegidas con papel opaco para que no se velasen. La sorpresa de Bequerel fue extraordinaria cuando al revelar las placas días después, la silueta de la lámina de la sal de uranio apareció impresionada en la placa.

Placa de Becquerel

La conclusión era evidente, existían unos nuevos rayos desconocidos que procedían de las sales de uranio. En estudios posteriores descubrió que estos rayos tenían la propiedad de ionizar el aire y se podían desviar con campos eléctricos y magnéticos, eran definitivamente diferentes de los rayos X. Los denominó rayos uránidos o de Becquerel.

Intentó durante mucho tiempo medir la cantidad de ionización en el aire provocada por los rayos uránidos, pero los instrumentos de medida no eran suficientemente precisos para observar la pequeña corriente eléctrica.

Marie Curie buscaba un tema de tesis innovador y que no le llevase demasiado tiempo leyendo biografías y tesis anteriores, pues estaba muy ocupada con su primera hija Irene, que había nacido pocos meses atrás. Los rayos descubiertos por Bequerel cumplían esta condición, pero había otro de carácter científico mucho más importante, Marie Curie tenía a su disposición los instrumentos de precisión para medir la pequeñísima corriente eléctrica que buscaba Bequerel. I esto también era por casualidad.

La afición por la fotografía había llevado al descubrimiento de la física nuclear.

María Sklodowska Curie

Marie Curie

María Salomea Sklodowska nació en Varsovia (Polonia) el 7 de Noviembre de 1867. Era la más pequeña de de sus cuatro hermanos, su padre era profesor de física y matemáticas en la escuela secundaria para chicos y su madre maestra de una escuela privada para chicas, además era pianista y cantante. En aquellos tiempos Polonia se encontraba ocupada por Rusia, que después de varias revueltas había impuesto su lengua y cultura. La familia Sklodowska estaba comprometida con la patria polonesa y María junto con su hermana Helena recibían clases clandestinas de cultura polonesa.

La muerte de su hermana Zofia y de su madre, junto al ambiente opresivo que vivía Polonia provocó en Marie una profunda depresión que al mismo tiempo condiciono su manera de pensar. Quería estudiar, al igual que su hermana Bronia, en la universidad, pero las chicas no eran aceptadas. Si quería estudiar cursos superiores tenían que hacerlo fuera del país. Desgraciadamente su familia había perdido la fortuna a consecuencia de sus actividades patrióticas en contra del invasor ruso.

María elaboró un plan para que las dos hermanas pudiesen estudiar, Bronia medicina y ella ciencias. Marie se pondría a trabajar para financiar los estudios de Bronia, posteriormente cuando se hubiese licenciado Bronia haría lo mismo para María. Así, durante los años 1885-1890 se puso a trabajar como institutriz para varias familias. Una de ellas, la familia Zorawski, unos terratenientes ricos parientes de su padre. Se enamoro de Casimir Zorawski, hijo de la familia, pero los padres de él se opusieron a la relación, al provenir María de una familia pobre.

Casimir Zorawski llegó a ser un brillante matemático, y cuenta la leyenda que de mayor y siendo profesor de matemáticas en la Universidad Politécnica de Varsovia se sentaba de manera contemplativa delante de la estatua de María Sklodoska, recordando los tiempos de juventud.

María había abandonado el sueño de estudiar en la Sorbona de Paris, una de las pocas universidades europeas que aceptaba mujeres, las obligaciones familiares con su hermana Helena y su padre, la retenían en Varsovia. En 1891 delante de la insistencia de su hermana Bronia para que fuese a la Sorbona y después de recibir una carta de Casimir notificándole, presionado por sus padres, que rompía definitivamente sus relaciones con ella, María decidió definitivamente ir a Paris, tenía 24 años.

En 1893 obtuvo la licenciatura en física siendo la primera en su promoción, al año siguiente obtuvo la licenciatura en matemáticas siendo la segunda de su promoción. La decisión de estudiar los materiales magnéticos desencadeno que ese mismo año 1894 conociese a Pierre Curie. Fue a pedirle un espacio en su laboratorio para realizar estudios de magnetismo. Pierre tenía 35 años, María 27 y se casaron el 26 de Julio de 1895 en la población de Sceaux en una sencilla ceremonia civil. María Sklodowska paso a ser Marie Curie y con ese nombre paso a la eternidad.

El descubrimiento del radio

Los acontecimientos que condujeron al descubrimiento del radio empiezan en 1858, cuando William Thomson (Lord Kelvin) patentó el galvanómetro de espejo. Instrumento imprescindible para detectar la débil corriente eléctrica que circulaba por el recientemente estrenado cable telegráfico transatlántico. Un año más tarde nacía en Paris Pierre Curie, su padre era médico i educo a su hijo personalmente en su casa.

Junto con su hermano Jaques Curie, realizó el primer descubrimiento sobre la piezoelectricidad. Observaron que los minerales de cuarzo generaban electricidad al ser sometidos a una presión mecánica. Aprovechando esta propiedad del cuarzo diseñaron y construyeron un instrumento que servía para calibrar cargas eléctricas con gran precisión y sensibilidad, comparable a los instrumentos actuales. El funcionamiento era muy sencillo, actuaba como una bascula, un peso equilibraba la carga eléctrica. Patentaron el invento que fue fabricado y comercializado por distintas empresas. Así nació una relación entre laboratorio y fábrica. Imprescindible posteriormente para aislar el radio.

La invención del galvanómetro de Thomson y del cuarzo piezoeléctrico fueron fundamentales en el descubrimiento del radio por Marie Curie, pero no hubiesen servido de nada sin la estricta organización científica que montaron el matrimonio Curie. Su vida giraba en torno al trabajo científico, con pocas relaciones sociales y limitadas a la familia y a los amigos más íntimos.

Esta organización fue lo que condujo a Marie Curie a escoger un tema para su tesis doctoral, que no ocupase demasiado tiempo en preliminares. Se fijo en el experimento fallido de detectar la débil corriente eléctrica en el aire cuando era sometido a los rayos uránidos. Tenía los instrumentos y los conocimientos necesarios para modificarlos y adaptarlos al experimento.

Estos instrumentos se instalaron inicialmente en un taller donde trabajaba Pierre y más tarde en un almacén abandonado. Recordemos que el experimento consistía en medir las cargas de la corriente de ionización en el aire que provocaba una muestra de uranio. Esta muestra se colocaba entre las placas de un condensador para detectar la carga eléctrica y medirla con un galvanómetro de Thomson, pero era muy débil, del orden de 10^-12 amperios, muy difícil de detectar. Entonces a Marie Curie se le ocurrió utilizar el cuarzo piezoeléctrico como método compensador de la carga del condensador. No mediría la carga sino el peso necesario para compensar esta carga y el tiempo que necesitaba, de tal manera que el galvanómetro no oscilara.

En una mano tenía el cronometro y con la otra los pesos que añadía a la bascula piezoeléctrica, a partir del cociente entre la carga y el tiempo obtendría la corriente y por tanto una medida de la actividad de los rayos uránidos.

Decidió realizar más pruebas con otros materiales, el cobre, estaño, plomo y hierro, no mostraban síntomas de actividad eléctrica. El 17 de febrero de 1898 realizó el experimento con una muestra de pechblenda (mineral de uranio) dio una actividad dos veces i media más intensa que su equivalente en contenido de uranio. Un elemento desconocido se escondía en el interior de la pechblenda, los Curie emprendieron la búsqueda de este nuevo elemento.

A primeros de julio, Marie y Pierre Curie habían aislado una muestra 400 veces más activa que el uranio, lo denominaron polonio, en honor de la patria ocupada de Marie. A las sustancias que emitían rayos uránidos los denominó sustancias radioactivas. A finales de 1898 encontraron una sustancia 900 veces más activa que el uranio, acababan de descubrir el radio. El año 1898 es el año que marca el comienzo de la radioactividad y la entrada en la era nuclear.

Para demostrar que el radio era un nuevo elemento había que encontrar su peso atómico, pero los esfuerzos para conseguir el elemento radio eran enormes, disponían de dinero pero no el material. Esto se refleja en varias cartas que escribe Marie Curie a su hermano Joseph

“Nos ha pasado una gran desgracia. Mientras efectuábamos una operación delicada con el radio hemos perdido una cantidad importante de nuestro stock, y aun no entendemos la causa del desastre. Esto me obligará a posponer el trabajo sobre el peso atómico del radio.”

“Quizás conseguiremos preparar una cantidad importante de esta maldecida sustancia. Para esto necesitamos mineral de uranio y dinero. Ya tenemos el dinero, pero hasta ahora nos ha estado imposible conseguir el mineral. Acaban de darnos esperanzas, y probablemente nos permitirán comprar el mineral necesario: entonces empezaremos la fabricación del radio”

El soporte de la industria fue imprescindible, la imagen de Marie y Pierre Curie trabajando solos en su laboratorio tratando toneladas de mineral de uranio tal como aparece en la película de 1943 “Madame Curie”, es una leyenda que ella misma cultivo. Aunque es cierto que el primer laboratorio era un local pésimo, Curie lo describe de la siguiente manera en la biografía de Pierre Curie:

“No sabíamos donde hacer los tratamientos químicos. Nos tuvimos que organizar dentro de un hangar abandonado, separado por un patio del taller donde se encontraba la instalación electrométrica. Era una barraca de madera con el techo de vidrio, mal protegida de la lluvia, sin ningún tipo de instalación: solo había unas mesas de pino, una estufa y una pizarra. No había campana de extracción y se tenían que hacer las operaciones con gases tóxicos en el patio, cuando el tiempo lo permitía; sino las realizábamos dentro, con las ventanas abiertas.

Dentro de este laboratorio improvisado estuvimos trabajando durante dos años casi sin ayuda…Yo me ocupaba de los tratamientos químicos para preparar sales de radio puras. Había que tratar hasta 20 kg de materia a la vez, de manera que el hangar estaba lleno de grandes recipientes llenos de precipitados y de líquidos. Era un trabajo extenuante: transportar los recipientes, verter los líquidos, mezclar la materia en ebullición durante horas, con una barra de hierro. Yo extraía del mineral el bario radioactivo, en forma de cloruro, y lo sometía a una cristalización fraccionada. El radio se acumulaba en las fracciones menos solubles y de esta manera se había el separar el cloruro de radio puro. Las últimas cristalizaciones eran operaciones muy delicadas, que se veían complicadas por el polvo de hierro o carbón que llenaba ese laboratorio mal adaptado.”

Primer laboratorio de los Curie

Midiendo la débil corriente de ionización

Si tenemos en cuenta que para conseguir una gramo de radio se necesitaba 10 toneladas de mineral de uranio, 15 toneladas de materiales químicos y centenares de toneladas de agua, es evidente que eran necesarios los recursos industriales.

En julio de 1899 la “Société Centrale de Produits Chimiques”, la compañía que fabricaba algunos de los instrumentos patentados por Pierre Curie, emprendió el tratamiento de varias toneladas de residuos de pechblenda extraídos de la mina de Joachimsthal en Bohemia, a fin de conseguir el radio puro. A cambio la compañía tenía el derecho comercial sobre el radio producido.

Marie Curie visitando la planta de la Stándard chemical company en Canonsburg (Pittsburgh).

Con la ayuda de la industria los Curie finalmente aislaron un decimo de gramo de radio puro y determinó su masa atómica en 225. Presento el resultado en su tesis doctoral el 25 de junio de 1903.

Notaciones de las primeras medidas del peso atómico del radio

Marie y Pierre Curie recibieron el Premio Nobel de física el año 1903 junto a Henri Becquerel por el descubrimiento de la radioactividad.

Poco tiempo después los efectos de la radiación empezaron a hacer efecto en Pierre, que siempre llevaba un bote con radio en el bolsillo de su chaleco, para mostrar a los amigos. Empezó a sentirse fatigado y sus piernas desfallecían a veces. A Marie Curie le aparecieron grietas y cicatrices en sus dedos y también notaba fatiga. Por supuesto no tenían ni idea de los efectos de la radiación sobre la salud.

El 19 de abril de 1906 Pierre Curie después de no poder ver a su editor, al encontrar las puertas cerradas por una huelga, se dirigió al laboratorio, intento atravesar la calle mientras llovía. Quizá a causa de su debilidad en las piernas, resbaló y con la mala fortuna que un gran carruaje cargado con uniformes militares lo atropello fracturándole el cráneo. Murió en el acto.

Marie Curie continuo ella sola y en 1909 la Universidad de Paris y el Instituto Pasteur facilitaron 600.000 francos para construir el “Instituto del Radio” y 100.000 francos al año para su mantenimiento. El Instituto que Pierre siempre había soñado.

Marie Curie en su despacho del Instituto del Radio

En este mismo año, Hans Geiger y Ernest Marsden bajo la dirección de Rutherford, descubrieron el núcleo atómico al bombardear una lámina de oro con partículas alpha procedente de una fuente radioactiva. La fuente utilizada era el polonio descubierto por Curie. Publicaron su resultado en 1911 y el concepto de átomo cambio para siempre.

En 1920, a Marie Curie se le diagnosticaron cataratas, consecuencia de la larga exposición a la radioactividad. Por las vacaciones de Pascua realizó un viaje con su hermana Bronia, durante el cual hizo una última visita a Jaques Curie. El 4 de julio de 1934 moría a consecuencia de una leucemia.

En abril de 1995 Pierre y Marie Curie fueron enterrados en el cripta del Panteón de Paris, era la primera mujer enterrada en el Panteón.

“Mediante la transferencia de estos restos de Pierre y Marie Curie en el santuario de nuestra memoria colectiva, Francia no solamente hace un acto de reconocimiento, también afirma su fe en la ciencia, en la investigación y su respecto por aquellos que se dedican a la ciencia, así como Pierre y Marie Curie dedicaron sus energias y sus vidas para la ciencia”

President François Mitterand, Abril 1995.

Me ha salido un poco largo, pero la ciencia no se puede simplificar y su historia mucho menos.