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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
UnadescripcióndelexperimentodelosCurie
J.M.LópezSancho1(IFF‐CSIC.ElCSICenlaEscuela)E.MorenoGómez2(VACC‐CSIC.ElCSICenlaEscuela)[email protected]@orgc.csic.es
PalabrasclaveCurie,radiactividad,Roentgen,Rutherford,experimento,cámaraionización,piezoeléctrico,electrómetro.
ResumenDescribimosbrevementelosantecedentesyelparadigmacientíficoquerodearonlasexperienciasdelosCurieaprincipiosdelsigloXX.RealizamosunestudiodelequipamientoutilizadoenellaboratoriodeMarieCurieconlosesquemasdefuncionamientodelosdistintosinstrumentosdemediday,amododeejemplo,recreamosunprocesotípicodemedidadelosrealizadosporMarieCurie.EstapublicaciónsecomplementaconelLaboratorioCuriepublicadoenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC.
Antecedentes
Estamosen1897.RoentgenacabadedescubrirlosrayosX.Entreotraspropiedadestienenlacapacidaddeatravesarcuerposopacosydeionizarlosgasesyhacerlosconductores.Estaúltimacaracterísticaladescubrióutilizandounaparatosimilaralquepresentamosenlafigurasiguiente.
Esemismoaño,inspiradoporlosresultadosdeRoentgen,BecquerelhabíadescubiertolaexistenciadeunanuevaradiacciónemitidaporeluranioyconcaracterísticassimlaresalasdelosrayosX,yaquetambienatravesabanloscuerposopacosalaluzvisbleeimpresioanbanlasplacasfotográficas.
Comoeslógico,BecquerelrepitiólosexperimentosdeRoentgensobreconductividadinducidaengasesconelpropósitodecomprobarsilosnuevosrayosuránicostambiénlaproducían.Elexperimentolorealizócolocandosalesdeuranioenelfondodeunfrascoqueconteníaunelectrómetrodehojasdeoro,talcomodescribeenlapágina18desulibroSurunepropiéténouvelledelamatiere.Lassalespodíancubrirsepordiferentespantallas:papel,láminasdemetaldediferrnesgrosores,etc.,paradeterminarsupoderdepenetración.
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Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014).
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Apesardequesusdeterminacionesnollegaronasercuantitativasesteexperimentoconstituyeelprimerestudiosobrelaspropiedadesdelosnuevosrayos.Enesamismaobrapresentaalgunosresultadosexperimentales,comolosdelaFigura1.
Figura 1. Electrómetro y tabla de resultados de Becquerel. Modificado de Recherches sur une
propriété nouvelle de la matière. Becquerel 1903.
EstapropiedadionizarlasmoléculasdelosgaseseslaqueutilizarontantoMarieCuriecomoRutherfordparacomenzarsusexperimentossobrefísicanuclear,aunquecondiferentesobjetivos.Marie,paradescubrirlosnuevoselementosradiactivosyRutherfordparaestudiarenprofundidadlanaturalezadelaradiaciónylascaracterísticasdelnúcleo.
SobreestetemaMarieintroduce,ensuautobiografía,elsiguientecomentario:
“Meparecióqueloprimeroquedebíahacererallevaracabomedidasprecisasdelfenómeno.Yparaellodecidíutilizarlapropiedaddelosrayosqueproducíaladescargadelelectroscopio.Noobstante,envezdeutilizarelelectroscopionormalmenteutilizadoparaelloutilicéunaparatodemásprecisión”.
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SistemaexperimentaldeCurie
Comoesnatural,elprimerelementoqueeranecesariodiseñarparadeterminarlaconductividaddelairesometidoalasradiacionesuránicaseralacámaradeionización.
Elfuncionamientodeunacámaradeionizaciónesmuysimple(sepuedeverunesquemaanimadoenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC).Elaireesionizadoporefectodelaradiacióndelamuestraintroducidaenlacámara,produciéndoseionespositivosyelectroneslibres.Losionespositivossedirigenalaplacanegativayloselectronescorrespondientesalaplacapositiva,aportando,duranteeltiempotqueduraelexperimento,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).ElproblemaconqueseenfrentabaMarieCurieeraeldemedirconexactitudestacorriente.
Alolargodesusexperimentosdebiódeutilizarvariascámarasdeionización:Ensutratadoderadioactividaddescribeunaconanillodeguarda.
Polarizandolaplacainferiorconunos100voltiosyconectandolaplacacentralsuperioraunpicoamperímetrodelosqueseencuentranactualmenteenelmercado(deresistenciaprácticamentenula),lamedidanotendríaningunadificultad.
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PeroafinalesdelsigloXIXnoexistíaninstrumentosdeesetipo.SólosedisponíadeelectroscopiosodeelectrómetrosdeltipodeKelvin,decuadrantes,demanejomuydelicado(yque,enrealidad,medíanvoltajes).
EsseguroqueensusexperimentospreviosMarieutilizóunodeesoselectrómetrosparamedirlacaídadetensiónproducidaenlacámaracomoresultadodelaionizacióndelaire,comohizoRutherford(sepuedeverunesquemaanimadoenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC).
Antesdecomenzarelexperimentolaplacapositivadelacámaradeionizaciónseencuentraconectadaatierra.Enelinstanteinicialseeliminaesaconexión,demaneraquelacargapositivaquedesaparecedelaarmadurapositivanopuedeserreemplazacomoenlaanimaciónanterior,yaquelaresistenciadelelectrómetroesprácticamenteinfinita.Comoresultado,encadaintervalodetiempodtlacorrientedeionescedealasplacasunacarga
dq=I·dt
EstacargaproduceunavariacióndetensióndVenlosbornesdelvoltímetro,
dV=dq/C
dondeClacapacidadtotaldelsistemademedida.
Elgeneradorpiezoeléctrico
Perolacapacidaddelsistemademedidaerademasiadogrande,delordendelos150picofaradiosylasintensidadesdebidasalaionizacióndelairemuydébiles(avecesinferioraunpicoamperio,comohemosdicho),porloqueestemontajenoerasuficientementesensible.
PorelloPierreyMarieCurieconstruyeronunbancodemedidasconunelectrómetrodecuadrantesmuysensible,diseñadoporPierreCurie(queactuabacomovoltímetrodetectordecero)yungeneradordecorrientequecompensabalaquedesaparecíadelaFigura 3. G. Piezoeléctrico.CSIC.armadurapositivadelacámaraporlallegadadeloselectronesdeionizacióndelaire.EstegeneradorpiezoeléctricofuediseñadoporJacquesyPierreCurie,(descubridoresdelapiezoelectricidad),algunosañosantes,elCSICconservaunoubicadoenelMuseoNacionaldeCienciasNaturales(Figura3).
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Su funcionamiento es muy fácil de entender (sepuedeverunesquemaanimadoenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC). 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).
LaintroduccióndeesteinstrumentoenelmétododemedidaesunaaportaciónimportantedePierreyMarieCuriealprocesodemedidadebajascorrientes,queseutilizóhastalosañoscuarentadelsiglopasadoenqueaparecieronlosamplificadoresdetuboselectrónicos.Elesquemageneraldelbancodemedidas(Figura4),talcomolorepresentóenTraitédeRadiactivité(M.Curie,1910).
Figura 4. Esquema general del banco de medidas.
Modificado de Curie, 1910.
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Elexperimento
Sobrelamesaexperimentalestánsituadoslosseiselementosqueintervienen:lacámaradeionizaciónCI,labateríadepolarizaciónB2,elgeneradordecorrientepiezoeléctricoGP(uncuarzomontadocomogeneradordecarga,delamaneraquesedescribeenlafichacorrespondiente),elelectrómetrodecuadrantesEC,elinterruptorINyelcronómetroCR.
Conobjetodeestudiardetalladamenteelprocesodemedida,hemossustituidosuesquemaoriginalporotro(Figura5)similar,peromásapropiadoparautilizarenlasanimacionespublicadasenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC.
Figura 5. Esquema del experimento de Curie. J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. CSIC, 2014.
AcontinuaciónrecrearemosunprocesotípicodemedidadelosrealizadosporMarieCurie.[EstasecciónestáacompañadadeunaseriedeanimacionesquepuedenvisualizarseenelMuseovirtualdelaCienciadelCSIC]
Antesdecomenzarelexperimentosecolocalacantidaddematerialradiactivosobrelaplacainferiordelacámaraysecargaelcuarzopiezoeléctricoconmasade300gramossuspendidaenelplatilloqueestiraelcristal.Elinterruptorseencuentracerrado,conlocuallasdosarmadurasdelaparatoseencuentranatierra.Asimismolaplacapositivadelacámaraseencuentraatierrayelvoltímetroencorto.
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Enelinstanteenqueseiniciaelexperimentoseabreelinterruptory,simultáneamente,seponeenmarchaelcronómetro.Lacorrientedeionizaciónenlacámaraproduceunadisminucióndelacargaenambasarmaduras.Losionespositivosquelleganalaplacainferiordelacámaraneutralizansucarganegativa,peroéstaessustituidainmediatamenteporelectronesprovenientesdelabatería.
Simultáneamenteloselectronesquelleganalaplacapositivadelacámaravanneutralizandolascargaspositivasiniciales(quenopuedenreponersealestaraisladadetierraporlaresistenciainfinitadelelectrómetro)ysupotencialsehacenegativo;estohacequesemuevalaagujadelelectrómetro(Figura6)enladireccióncorrespondiente(enelexperimentodeCurieloquesedesvíaeselpuntodeluzreflejadosobrelareglatranslúcida).Figura 6. Reflejo del punto de luz.
EnesteinstanteMarieaplicaunalevefuerzahaciaarribaparadisminuirelpesoquesoportaelplatillodelcuarzopiezoeléctrico,queenlaanimaciónpasade300a200gramos.Estodisminuyelascargasdesuperficiedelcristalyliberalacargapositivanecesariaparacompensarlaquehaperdidolaplacasuperiorporefectodelacorrientedeelectronesdeionización,volviendoa0voltioslalecturadelelectrómetro.Laimportanciademantenerlalecturadelvoltímetroaceroesqueasíseaseguraquelacorrientequevadesdelaarmadurapositivadelcuarzoalaplacasuperiordelacámaraessiempreconstanteylatensiónentreplacaspermaneceigualaladepolarizaciónsuministradaporlaspilas.
Elprocesocontinúahastaquelapesanoejerceningunafuerzasobreelplatillo,siendoimposiblemantenerlaagujadelelectrómetroa0voltios.Enesemomentoseparaelcronómetro,quesupondremosquemarca200segundos.
Comoconocemosexactamentelacargainicialdelcuarzopiezoeléctrico,6·10‐10Culombios,yeltiempotranscurrido,200segundos,esfácilcalcularlacorriente:3·10‐12Amperios.Estacorrientenosindicafielmentelaactividaddelamuestraradiactiva.
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Acontinuación(Figura7)incluimosunapáginadeloscarnetsdeladécouvertedondeMarieanotólascorrientesdeionizaciónexpresadasenpicoamperios,dediferentesmuestras.
Figura 7. Anotaciones de Marie Curie, Carnets de la découverte 1897‐1900.
Modificado de Pierre et Marie Curie. Papiers.
Elmargendeerror
Unaúltimapalabrasobrelasdesviacionesdelvalordelacorrienteentornoalvalormedio.Comohemosvisto,elpapeldeloperadorconsisteenmantenerlaindicacióndelelectrómetroacero,actuandocomoundispositivoderealimentaciónnegativasobrelafuentedecorriente.Silacargaqueadquierelaplacapositivadelacámaraaumentasobreelvalorderepososeejercemenosfuerzahaciaarribasobrelapesa,ysilacargadisminuyeseaumentalafuerzahaciaarriba,demaneraquelacargaliberadaporelpiezoeléctricoseaexactamenteigualaladelacorrienteiónicageneradaporlaradiación.Enelcasodelmontajeoriginal,lasensibilidaddelaparatodemedidaera40milivoltiosporcentímetrodedesviaciónenlareglatransparentequeMarietienedelantedeella.
Estoquieredecirqueelerrorenlacargaesde4picoculombios(4·10‐12Culombios).Comolacámaratieneunacapacidadde0,3picofaradios,los40milivoltiosequivalenaunacargade1,2·10‐14Culombios,loquerepresentaunerrormenordelunopormilparaunadesviaciónde1centímetroenlareglatransparente.Siseañadeaestoelquelasvariacionesdelaseñalluminosafluctuaríanentornoalceropodemosdecir,aunquelaamplituddelasfluctuacionesalcanzaselos5centímetros,queelerrordelamedidaesinferioral1%.
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Referenciasbibliográficas
‐BECQUEREL,H.Recherchessurunepropriéténouvelledelamatière:activitéradiantespontanéeouradioactivitédelamatière.1903.MedicalHeritageLibrary.InternetArchive.https://archive.org/details/recherchessurune00becq
‐BOUQUET,A.Radioactivité:LesCurie.http://evelyne.bouquet.free.fr/WebAlain/particules/120_curie.htm
‐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.htmlUna
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