Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/001/20
Ciudad de México, 06 de enero de 2020

• Un acelerador de partículas de Canadá, en Vancouver, atrapa más de dos millones de átomos para entender a detalle cómo ocurre la fuerza débil en el núcleo de los átomos entre electrones y quarks.
• En 2019 se celebraron 80 años del descubrimiento de este elemento químico por Marguerite Perey.

Interior de la Francium Trapping Facility, ubicado en el Centro de Aceleración de Partículas de Canadá, donde se ven las mesas ópticas con multitud de láseres, espejos y fibras ópticas necesarias para atrapar a los átomos de francio. La trampa está detrás de la columna. Foto: TRIUMF

Muy pocos grupos en el mundo hacen experimentos con francio, el elemento químico con el número atómico 87, pues es muy escaso en la Tierra y en laboratorio, por ser altamente radiactivo y reactivo, sólo se obtiene por minutos mediante reacciones nucleares. A 80 años de su descubrimiento, el doctor Luis Orozco, adscrito al Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland, habló sobre la historia de este elemento químico y cómo es que lo ha utilizado para estudiar desde la física atómica a la fuerza débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo.

“La fuerza débil es la responsable del decaimiento beta de los núcleos, es la única capaz de cambiar protones en neutrones y viceversa. En el proceso inicial para el ciclo solar, el hidrógeno se transforma en helio generando energía proveniente de la fusión. El hidrógeno sólo tiene un protón mientras el helio tiene dos protones y dos neutrones. La fuerza débil cambia protones en neutrones abriendo así el camino a la fusión nuclear en el sol”, explicó el físico.

El investigador indicó que el francio se obtiene mediante reacciones nucleares en laboratorios aislados y muy sofisticados. Desde la Universidad de Stony Brook, a la que se incorporó en 1991, una de sus tareas fue obtener francio. En una reacción de fusión en la que utilizaron un blanco de oro con 79 protones y 118 neutrones y le apuntaron un proyectil de oxígeno 18 (con diez neutrones y ocho protones), lograron obtener francio 215 (con 87 protones y 123 neutrones) en una técnica muy complicada; por lo que el primer éxito en su carrera fue atrapar con láseres más átomos de francio.

Al principio capturaban unos 2,000 átomos, pero fueron mejorando la técnica hasta que llegaron a atrapar 250,000 átomos en la Universidad de Stony Brook. Actualmente son más de dos millones de átomos los que atrapan en el Centro de Aceleración de Partículas de Canadá (TRIUMF), ubicado en Vancouver, con la Trampa MOT, al grado que ya no es seguro permanecer en la sala en la que hacen los experimentos por la radioactividad, destacó el científico.

La particularidad del francio “es que tiene un núcleo pesado, lo que significa que hay oportunidades de que las partículas, electrones y quarks, interactúen, lo que no ocurre con otros elementos. Ha sido necesario entender muy bien las propiedades del francio, por ejemplo, el radio de carga de su núcleo, las polarizabilidades escalar (alfa) y vectorial (beta) para la transición inducida por el efecto Stark en ciertos niveles de energía, es decir, entender mejor la estructura de la materia”, sostuvo el doctor en física por la Universidad de Texas en Austin.

En Canadá, en el grupo con el que colabora obtienen el francio con reacciones más violentas. Tienen una serie de obleas que son una combinación de carburo de uranio, una cerámica compuesta de uranio y carbono, muy delgado, por el cual pasan con corrientes muy fuertes un haz muy alto de protones, a una energía de 500 megaelectrón voltios, con lo que golpea al uranio y éste se fisiona.

“El uranio (con el número atómico 92) es más pesado que el francio (87). En esas colisiones con un protón éste puede llevarse otros protones en el choque, por ejemplo, cinco, produciendo francio. Como son obleas muy delgadas y calientes, el francio rápidamente viaja al exterior y se escapa del uranio. El francio en contacto con una superficie metálica caliente adecuada se puede ionizar y luego se extrae”.

Si bien estos estudios son proyectos de física básica y no hay una aplicación directa para los átomos de francio que atrapan, el mexicano, quien ha dedicado gran parte de su vida a la investigación de este elemento, comentó que los métodos que inventaron para atrapar a este escurridizo elemento ya se usan para datar la antigüedad de los acuíferos que se encuentra en el subsuelo del desierto del Sahara, sólo que utilizan un isótopo de xenón e isótopos de calcio.

Marguerite Perey, descubridora del francio
Respecto al descubrimiento del francio, dijo que en el siglo XX, al menos tres grupos distintos de investigación habían hecho el intento de descubrir al elemento que se encontraba en la tabla periódica de Dmitri Mendeléiev y que se encontraba después del cesio, pero ninguno había acertado. “La heroína descubridora fue Marguerite Perey (1909-1975), quien nació en Villemomble, un barrio popular de París, y por falta de recursos estudió una carrera técnica de laboratorio en la primera preparatoria femenina que hubo en Francia”, dijo.

Esta joven se distinguió por ser la mejor alumna de la escuela, coincidiendo con que Marie Curie contrataba a la mejor estudiante como asistente en el Instituto del Radio, como se llamaba entonces el hoy Instituto Curie. Su tarea, explicó el miembro correspondiente de la Academia Mexicana de Ciencias (AMC), fue por casi diez años moler y mezclar unas diez toneladas de mineral para que al final obtuviera menos de 20 miligramos de actinio, el elemento que madame Curie quería estudiar.

“Marguerite Perey fue una mujer increíblemente sistemática, estudiosa, tenaz y disciplinada. El 7 de enero de 1939, escribió en la bitácora de su laboratorio una descripción de su día; descubrió que el actinio tenía dos decaimientos, uno a 220 kilo-electronvoltios, que corresponde al actinio, y el otro a 80 kilo-electronvoltios, hijo del primero. Descubrió al francio como un producto del decaimiento alfa del actinio. Un par de días después se publicó el hallazgo en la revista de la Academia de Ciencias en una nota muy breve, siendo ella la única autora”, comentó Orozco.