53. Métodos de medición.
Tres métodos generales se han empleado para el examen de las radiaciones de los cuerpos radiactivos, dependiendo de
El tercer método tiene una aplicación muy restringida y solo puede emplearse para sustancias intensamente activas como el radio o el polonio.
El método fotográfico se ha utilizado muy ampliamente, especialmente en el desarrollo inicial de la materia, pero ha sido desplazado gradualmente por el método eléctrico, a medida que una determinación cuantitativa de las radiaciones se hacía cada vez más necesaria.
En ciertas direcciones, sin embargo, posee ventajas claras sobre el método eléctrico. Por ejemplo, ha demostrado ser un medio muy valioso para investigar la curvatura de la trayectoria de los rayos, cuando son desviados por un campo magnético o eléctrico, y nos ha permitido determinar las constantes de estos rayos con considerable exactitud.
Por otra parte, como método general de estudio de las radiaciones, presenta numerosos inconvenientes.
Por lo general, se requiere la exposición de un día para producir un ennegrecimiento apreciable de la película sensible cuando se expone a una fuente débil de radiación como el uranio y el torio. No puede emplearse, en consecuencia, para investigar las radiaciones de aquellos productos activos que pierden rápidamente su actividad.
Además, W. J. Russell ha demostrado que el ennegrecimiento de una placa fotográfica puede ser producido por muchos agentes que no emiten rayos como los de los cuerpos radiactivos. Este ennegrecimiento de la placa se produce bajo las condiciones más variadas, y se necesitan precauciones muy especiales cuando se requieren exposiciones prolongadas a una fuente débil de radiación.
La principal objeción al método fotográfico, sin embargo, radica en el hecho de que las radiaciones que producen el efecto eléctrico más fuerte son muy débiles fotográficamente. Por ejemplo, Soddy1 ha demostrado que la acción fotográfica del uranio se debe casi por completo a los rayos más penetrantes, y que los rayos fácilmente absorbidos producen en comparación muy poco efecto.
Hablando en general, los rayos penetrantes son los más activos fotográficamente y, en condiciones ordinarias, la acción sobre la placa se debe casi por completo a ellos.
La mayor parte de la energía irradiada por los cuerpos activos se encuentra en forma de rayos fácilmente absorbidos que son comparativamente inactivos desde el punto de vista fotográfico.
Estos rayos son difíciles de estudiar mediante el método fotográfico, ya que la capa de papel negro que, en muchos casos, se requiere para absorber la luz fosforescente de las sustancias activas, interrumpe al mismo tiempo la mayor parte de los rayos bajo examen.
Se demostrará que estos rayos fácilmente absorbidos desempeñan un papel mucho más importante en los procesos que ocurren en los cuerpos radiactivos que los rayos penetrantes que son más activos fotográficamente.
El método eléctrico, por otra parte, ofrece un método rápido y preciso de examinar cuantitativamente las radiaciones. Puede utilizarse como medio de medición de todos los tipos de radiación emitidos, excluyendo las ondas luminosas, y es capaz de realizar mediciones precisas en un intervalo extremadamente amplio. Con las precauciones adecuadas, puede emplearse para medir efectos producidos por radiaciones de intensidad extremadamente pequeña.
54. Métodos eléctricos. Los métodos eléctricos empleados en el estudio de la radiactividad se basan todos en la propiedad que tiene la radiación en cuestión de ionizar el gas, es decir, de producir portadores cargados positiva y negativamente en todo el volumen del gas.
La discusión sobre la aplicación de la teoría de la ionización de los gases a las mediciones de la radiactividad se ha expuesto en el capítulo anterior. Allí se ha demostrado que la condición esencial que debe cumplirse para realizar mediciones comparativas de la intensidad de las radiaciones es que el campo eléctrico sea en todos los casos lo suficientemente intenso como para obtener la corriente máxima o de saturación a través del gas.
El campo eléctrico necesario para producir la saturación práctica varía con la intensidad de la ionización y, por consiguiente, con la actividad de los preparados que se van a examinar.
- Para preparados que tengan una actividad no mayor de 500 veces la del uranio, en condiciones ordinarias, un campo de 100 voltios por cm es suficiente para producir una corriente de saturación práctica.
- Para muestras de radio muy activas, a menudo es imposible obtener convenientemente una fuerza electromotriz lo suficientemente alta como para dar incluso una saturación aproximada.
En tales condiciones, se pueden realizar mediciones comparativas midiendo la corriente bajo una presión disminuida del gas, cuando la saturación se obtiene más fácilmente.
El método que ha de emplearse en la medida de esta corriente de ionización depende en gran medida de la intensidad de la corriente que se va a medir.
Si se extiende una cantidad de radio muy activo sobre la placa inferior de dos placas aisladas, como en la Fig. 1, y se aplica un campo eléctrico de saturación, la corriente puede medirse fácilmente mediante un galvanómetro sensible de alta resistencia.
Por ejemplo, un peso de 0,45 g de cloruro de radio con una actividad 1000 veces superior a la del óxido de uranio, extendido sobre una placa de 33 cm² de superficie, produjo una corriente máxima de 1,1 × 10-8 amperios cuando las placas estaban separadas 4,5 cm.
En este caso, la diferencia de potencial que debió aplicarse para producir la saturación práctica fue de unos 600 voltios. Dado que la mayor parte de la ionización se debe a los rayos que son absorbidos al atravesar unos pocos centímetros de aire, la corriente no aumenta mucho al ampliar la distancia entre las dos placas.
En los casos en que la corriente no sea lo suficientemente grande para una desviación directa, la corriente puede determinarse conectando la placa superior aislada a un condensador bien aislado. Tras cargarlo durante un tiempo determinado, por ejemplo, uno o más minutos, el condensador se descarga a través del galvanómetro y la corriente puede deducirse fácilmente.
55. Sin embargo, en la mayoría de los casos, cuando se trata de sustancias menos activas como el uranio o el torio, o con pequeñas cantidades de material activo, es necesario emplear métodos para medir corrientes mucho más pequeñas de las que se pueden detectar convenientemente con un galvanómetro ordinario.
El aparato más conveniente de emplear para este propósito es uno de los numerosos tipos de electrómetro de cuadrantes o un electroscopio de diseño especial. Para muchas observaciones, especialmente cuando la actividad de dos sustancias debe ser comparada bajo condiciones constantes, un electroscopio ofrece un método de medición muy seguro y fácil.
Como ejemplo de un aparato simple de este tipo, se dará una breve descripción del electroscopio utilizado por el Sr. y la Sra. Curie en muchas de sus observaciones anteriores.
Las conexiones se aprecian claramente en la Fig. 11. El material activo se coloca sobre una placa dispuesta encima de la placa circular fija P, conectada con la caja del instrumento y con la tierra. La placa superior aislada P´ está conectada con el sistema aislado de hojas de oro LL´. S es un soporte aislante y L la hoja de oro.
El sistema se carga primero a un potencial adecuado por medio de la varilla C.
La velocidad de movimiento de la hoja de oro se observa mediante un microscopio. Al comparar la actividad de dos especímenes, se observa el tiempo que tarda la hoja de oro en recorrer un cierto número de divisiones de la escala micrométrica en el ocular.
Dado que la capacidad del sistema cargado es constante, la velocidad media de movimiento de la hoja de oro es directamente proporcional a la corriente de ionización entre P y P´, es decir, a la intensidad de la radiación emitida por la sustancia radiactiva.
A menos que se esté examinando un material muy activo, la diferencia de potencial entre P y P´ puede hacerse fácilmente suficiente para producir la saturación.
Cuando sea necesario, se puede hacer una corrección para la tasa de fuga cuando no hay material activo presente. Con el fin de evitar perturbaciones externas, las placas PP´ y la varilla C están rodeadas por cilindros metálicos, E y F, conectados a tierra.
56. Una forma modificada del electroscopio de hojas de oro puede utilizarse para determinar corrientes extraordinariamente diminutas con precisión, y puede emplearse en casos en los que un electrómetro sensible es incapaz de detectar la corriente. Elster y Geitel han utilizado un tipo especial de electroscopio en sus experimentos sobre la ionización natural de la atmósfera. En la Fig. 12 se muestra un tipo de electroscopio muy conveniente para medir la corriente debida a la ionización diminuta del gas.
Este tipo de instrumento fue utilizado por primera vez por C. T. R. Wilson2 en sus experimentos sobre la ionización natural del aire en recipientes cerrados.
Se toma un recipiente cilíndrico de latón de aproximadamente 1 litro de capacidad. El sistema de hoja de oro, que consiste en una tira estrecha de hoja de oro L fijada a una varilla plana R, está aislado dentro del recipiente mediante una pequeña cuenta de azufre o pieza de ámbar S, sostenida por la varilla P. En una atmósfera seca, una cuenta de azufre limpia o una pieza de ámbar es un aislante casi perfecto.
El sistema se carga mediante una varilla ligera curvada CC´ que pasa a través de un corcho de ebonita3. La varilla C está conectada a un terminal de una batería de pequeños acumuladores de 200 a 300 voltios. Si estos no están presentes, el sistema puede cargarse por medio de una varilla de lacre.
La varilla de carga CC´ se separa entonces del contacto con el sistema de hoja de oro. Las varillas P y C y el cilindro se conectan posteriormente a tierra.
La velocidad de movimiento de la hoja de oro se observa mediante un microscopio de lectura a través de dos agujeros en el cilindro, cubiertos con mica delgada. En los casos en que deba medirse con precisión la ionización natural debida al aire encerrado en el cilindro, es aconsejable encerrar la varilla de soporte y carga y la cuenta de azufre dentro de un pequeño cilindro metálico M conectado a tierra, de modo que solo el sistema cargado de la hoja de oro quede expuesto en el volumen principal del aire.
En un aparato de este tipo, la pequeña fuga a través de la perla de azufre puede eliminarse casi por completo manteniendo la varilla P cargada al potencial medio del sistema de hojas de oro durante la observación. Este método ha sido utilizado con gran éxito por C. T. R. Wilson (loc. cit.). Sin embargo, tales perfeccionamientos suelen ser innecesarios, excepto en investigaciones sobre la ionización natural de los gases a bajas presiones, cuando la fuga por conducción a través de la perla de azufre es comparable a la descarga debida al gas ionizado.
57. La capacidad eléctrica C de un sistema de hojas de oro de unas 4 cm de longitud es habitualmente de aproximadamente 1 unidad electrostática. Si V es la disminución de potencial del sistema de hojas de oro en t segundos, la corriente i a través del gas viene dada por
Con un electroscopio de latón bien limpio y de un litro de volumen, la caída de potencial debida a la ionización natural del aire resultó ser de unos 6 voltios por hora. Dado que la capacidad del sistema de hojas de oro era de aproximadamente 1 unidad electrostática
Con precauciones especiales, se puede medir con precisión una tasa de descarga de ⅒ o incluso ¹⁄₁₀₀ de esta cantidad.
El número de iones producido en el gas puede calcularse si se conoce la carga de un ion. J. J. Thomson ha demostrado que la carga e de un ion es igual a 3·4 × 10-10 unidades electrostáticas o 1·13 × 10-19 culombios.
Si la ionización es uniforme, la corriente de saturación i viene dada por i = qSe.
Ahora bien, para un electroscopio con un volumen de 1000 c.c., i era igual a aproximadamente 1·9 × 10-15 amperios. Sustituyendo los valores dados anteriormente
Con las precauciones adecuadas, un electroscopio puede medir así fácilmente una corriente de ionización correspondiente a la producción de 1 ion por centímetro cúbico por segundo.
La gran ventaja de un aparato de este tipo radica en el hecho de que la corriente medida se debe a la ionización en el interior del recipiente y no está influenciada por la ionización del aire externo ni por perturbaciones electrostáticas4.
Dicho aparato es muy conveniente para investigar las radiaciones muy penetrantes de los radioelementos, ya que estos rayos atraviesan con facilidad las paredes del electroscopio.
Cuando el electroscopio se coloca sobre una placa de plomo de 3 o 4 mm de grosor, la ionización en el electroscopio, debida a un cuerpo radiactivo colocado bajo el plomo, se debe enteramente a los rayos muy penetrantes, ya que los otros dos tipos de rayos son absorbidos por completo en la placa de plomo.
Si se corta una abertura circular en la base del electroscopio y se cubre con aluminio delgado de suficiente grosor para absorber los rayos , las mediciones de la intensidad de los rayos de una sustancia activa colocada debajo de ella se pueden realizar con facilidad y seguridad.
58. Una forma modificada de electroscopio, que promete ser de gran utilidad para medir corrientes aún más diminutas que las que se observan con el tipo de instrumento ya descrito, ha sido ideada recientemente por C. T. R. Wilson5. La construcción del aparato se muestra en la Fig. 13.
El aparato consiste en una caja rectangular de latón de 4 cm × 4 cm × 3 cm. Una hoja de oro estrecha L está unida a una varilla R que atraviesa un corcho de azufre limpio. Enfrente de la hoja de oro se fija una placa de latón aislada P, colocada a unos 1 mm de la pared de la caja. El movimiento de la hoja de oro se observa a través de dos pequeñas ventanas por medio de un microscopio provisto de una escala micrométrica.
La placa P se mantiene a un potencial constante (generalmente de unos 200 voltios). La caja del electrómetro se coloca en una posición inclinada como se muestra en la figura; el ángulo de inclinación y el potencial de la placa se ajustan para proporcionar la sensibilidad deseada.
La hoja de oro se conecta inicialmente a la caja, y el microscopio se ajusta de modo que la hoja de oro se vea en el centro de la escala. Para un potencial dado de la placa, la sensibilidad depende del ángulo de inclinación de la caja. Existe cierta inclinación crítica por debajo de la cual la hoja de oro es inestable. La posición más sensible se encuentra justo por encima del ángulo crítico.
En un experimento particular, Wilson descubrió que con un ángulo de inclinación de 30° y con la placa a un potencial constante de 207 voltios, la hoja de oro, al ser elevada a un potencial de un voltio por encima de la caja, se desplazaba más de 200 divisiones de la escala del ocular, correspondiendo 54 divisiones a un milímetro.
En uso, la varilla R está conectada al sistema aislado externo cuya elevación o caída de potencial ha de medirse. A causa de la pequeña capacidad del sistema y del gran movimiento de la hoja de oro para una pequeña diferencia de potencial, el electroscopio es capaz de medir corrientes extraordinariamente minúsculas. El aparato es portátil. Si la placa P se conecta a un polo de una pila seca, la hoja de oro se estira hacia la placa y, en esta posición, puede ser transportada sin riesgo de daño.
59. Electrómetros. Aunque el electroscopio puede utilizarse con ventaja en casos especiales, su aplicación es limitada.
El aparato más generalmente conveniente para la medida de corrientes de ionización a través de gases es uno de los numerosos tipos de electrómetro de cuadrantes. Con la ayuda de capacidades auxiliares, el electrómetro puede utilizarse para medir corrientes con precisión en un amplio rango, y puede emplearse para prácticamente cualquier clase de medida requerida en la radiactividad.
La teoría elemental del electrómetro de cuadrantes simétrico, tal como se presenta en los libros de texto, es muy imperfecta. De ella se deduce que la sensibilidad del electrómetro —medida por la desviación de la aguja para una diferencia de potencial (d.d.p.) de 1 voltio entre los cuadrantes— varía en proporción directa al potencial de la aguja cargada, siempre que este potencial sea elevado en comparación con la d.d.p. entre los cuadrantes.
Sin embargo, en la mayoría de los electrométeres, la sensibilidad aumenta hasta alcanzar un máximo y luego disminuye a medida que aumenta el potencial de la aguja. En los electrométeres en los que la aguja se sitúa muy cerca de los cuadrantes, esta sensibilidad máxima se obtiene con un potencial de la aguja comparativamente bajo.
Recientemente, G. W. Walker6 ha formulado una teoría del electrómetro de cuadrantes que da cuenta de este comportamiento. El efecto parece deberse a la presencia del espacio de aire que necesariamente existe entre los cuadrantes contiguos.
Supóngase que se requiere medir con un electrómetro la corriente de ionización entre dos placas metálicas horizontales A y B (Fig. 14), sobre la inferior de las cuales se ha extendido algo de material activo.
Si se requiere la corriente de saturación, la placa aislada A se conecta a un polo de una batería de fuerza electromotriz (F.E.M.) suficiente para producir la saturación, estando el otro polo conectado a tierra.
La placa aislada B está conectada con un par de cuadrantes del electrómetro, estando el otro par conectado a tierra. Por medio de una llave K adecuada, la placa B y el par de cuadrantes conectados a ella pueden aislarse o conectarse a tierra. Cuando se va a realizar una medición, se rompe la conexión a tierra. Si el polo positivo de la batería se conecta con A, la placa B y las conexiones del electrómetro comienzan inmediatamente a cargarse positivamente y el potencial, si se permite, aumentará de manera constante hasta ser muy casi igual al potencial de A.
Tan pronto como el potencial del sistema electrómetro comienza a elevarse, la aguja del electrómetro comienza a moverse a una velocidad uniforme. Las observaciones del movimiento angular de la aguja se realizan ya sea mediante el telescopio y la escala, o mediante el movimiento del punto de luz sobre una escala de la manera habitual.
Si la aguja está amortiguada de modo que proporcione un movimiento uniforme sobre la escala, la velocidad de movimiento de la aguja, es decir, el número de divisiones de la escala recorridas por segundo, puede tomarse como una medida de la corriente a través del gas.
La velocidad de movimiento se obtiene de la manera más sencilla observando con un cronómetro el tiempo que tarda el punto de luz, una vez que el movimiento se ha vuelto constante, en recorrer 100 divisiones de la escala.
Tan pronto como se realiza la observación, la placa B se conecta nuevamente a tierra y la aguja del electrómetro regresa a su posición original.
En la mayoría de los experimentos sobre radiactividad, solo se requieren medidas comparativas de las corrientes de saturación.
Si estas medidas han de extenderse durante semanas o meses, como a veces sucede, es necesario adoptar algún método para calibrar el electrómetro de un día para otro, con el fin de corregir las variaciones en su sensibilidad.
Esto se hace de la manera más simple comparando la corriente que se va a medir con la producida por una muestra estándar de óxido de uranio, la cual se coloca en una posición definida dentro de un pequeño recipiente de prueba, que se mantiene siempre conectado al electrómetro.
El óxido de uranio es una fuente de radiación muy constante, y la corriente de saturación debida a él es la misma de un día para otro.
Mediante este método de comparación se pueden realizar observaciones precisas sobre la variación de la actividad de una sustancia durante largos intervalos de tiempo, aunque la sensibilidad del electrómetro varíe considerablemente entre mediciones sucesivas.
60. Construcción de electrómetros.
Como el electrómetro de cuadrantes se ha ganado la reputación de ser un instrumento difícil e incierto para mediciones precisas de corriente, puede ser útil ofrecer algunos detalles particulares sobre el mejor método de construcción y aislamiento.
En la mayoría de los tipos más antiguos de electrómetros de cuadrantes, el sistema de aguja se fabricaba innecesariamente pesado. Como consecuencia de esto, si se requería una sensibilidad del orden de 100 mm de desviación por 1 voltio, era necesario cargar la botella de Leyden conectada a la aguja a un potencial bastante alto. Esto introducía dificultades de inmediato, ya que a un potencial elevado no es fácil aislar la botella de Leyden de manera satisfactoria, ni cargarla al mismo potencial de un día para otro.
Este inconveniente se evita en gran medida en el modelo White del electrómetro de Kelvin, que está provisto de un regenerador y un disco atraído para mantener el potencial de la aguja en un valor determinado. Si se toma el cuidado suficiente al aislar y configurar este tipo de electrómetro, resulta ser un instrumento muy útil de sensibilidad moderada, y seguirá funcionando correctamente durante un año o más sin prestarle mucha atención.
Tipos más sencillos de electrómetro de mayor sensibilidad pueden, sin embargo, construirse fácilmente para dar resultados precisos. El viejo tipo de electrómetro de cuadrante, que se encuentra en todo laboratorio, puede modificarse fácilmente para resultar un instrumento útil y fiable. Se puede hacer una aguja ligera de aluminio fino, de papel plateado o de una fina lámina de mica, recubierta de pan de oro para hacerla conductora. El hilo de aluminio y el espejo adheridos deben hacerse lo más ligeros posible. La aguja debe sostenerse mediante una fibra de cuarzo fina o una larga suspensión bífilar de seda. Un hilo de bronce fosforoso muy fino de cierta longitud también resulta muy satisfactorio. Un control magnético no es muy adecuado, ya que se ve perturbado por bobinas o dinamos que funcionen en las inmediaciones. Además, el punto cero de la aguja no es tan estable como con la suspensión de cuarzo o bífilar.
Cuando se emplea un electrómetro para medir una corriente observando la velocidad de movimiento de la aguja, es fundamental que la aguja esté amortiguada lo suficiente como para producir un movimiento uniforme del punto de luz sobre la escala.
El amortiguamiento requiere un ajuste bastante preciso.
- Si es escaso, la aguja experimenta un movimiento oscilatorio superpuesto al movimiento constante;
- si es excesivo, se mueve con demasiada lentitud desde el reposo y tarda cierto tiempo en alcanzar un estado de movimiento uniforme.
Con una aguja ligera, se requiere muy poco amortiguamiento adicional, si es que se necesita alguno. Un hilo de platino ligero con un solo bucle sumergido en ácido sulfúrico suele ser suficiente para tal fin.
Con sistemas de aguja ligeros y suspensiones delicadas, solo es necesario cargar la aguja a un potencial de unos pocos cientos de voltios para obtener una sensibilidad de varios miles de divisiones por voltio. Con potenciales tan bajos, la dificultad de aislamiento del condensador, con el que la aguja está en conexión eléctrica, se reduce considerablemente.
Es conveniente utilizar un condensador tal que el potencial de la aguja no disminuya más de un pequeño porcentaje por día. El frasco de vidrio corto ordinario parcialmente lleno de ácido sulfúrico no es fácil de aislar hasta este punto en la mayoría de los casos. Es mejor reemplazarlo por un condensador de ebonita (o azufre)7 como el que se muestra en la Fig. 15.
Un plato circular de ebonita de aproximadamente 1 cm de grosor es torneado hasta que no tiene más de ½ mm de grosor en el centro. En este rebaje circular encaja holgadamente una placa de latón B. El plato de ebonita descansa sobre otra placa de latón C conectada a tierra. El condensador así formado tiene una capacidad considerable y retiene una carga durante mucho tiempo.
Para establecer conexión con la aguja, un pequeño recipiente de vidrio D, parcialmente lleno de ácido sulfúrico, se coloca sobre la placa B y se pone en conexión con la aguja mediante un hilo fino de platino. El hilo de platino procedente de la aguja se sumerge en el ácido y sirve para amortiguar la aguja.
En un ambiente seco, un condensador de este tipo no perderá más del 20 por ciento de su carga en una semana. Si el aislamiento se deteriora, puede repararse fácilmente frotando el borde de la ebonita A con papel de lija o retirando su superficie en un torno.
Si se dispone de una F.E.M. suficiente y constante, es mucho mejor mantener la batería constantemente conectada a la aguja y evitar por completo el uso del condensador. Si se utiliza una batería de acumuladores pequeños, su potencial puede mantenerse a un valor constante, y el electrómetro tendrá siempre una sensibilidad constante.
61. Dolezalek8 ha ideado un electrómetro muy útil y de gran sensibilidad. Es del tipo de cuadrante ordinario, con una aguja muy ligera de papel plateado, en forma de huso, que se sitúa bastante cerca de los cuadrantes. Se emplea una suspensión de cuarzo muy fina.
A consecuencia de la ligereza de la aguja y su proximidad a los cuadrantes, actúa como su propio amortiguador. Esto supone una gran ventaja, ya que siempre surgen dificultades cuando el hilo se sumerge en ácido sulfúrico, debido a la fina película que se acumula al cabo de un tiempo en la superficie del ácido. Esta película dificulta el movimiento del hilo de platino sumergido en el ácido y debe eliminarse a intervalos regulares.
Estos instrumentos pueden fabricarse fácilmente para que proporcionen una sensibilidad de varios miles de divisiones por voltio cuando la aguja se carga a unos cien voltios. La sensibilidad del electrómetro pasa por un máximo a medida que aumenta el potencial de la aguja. Siempre es recomendable cargar la aguja hasta un valor aproximado de este potencial crítico.
La capacidad del electrómetro es por lo general alta (unas 50 unidades electrostáticas), pero el aumento de la sensibilidad compensa con creces este inconveniente. La aguja puede cargarse tocándola ligeramente con un terminal de una batería, o bien puede mantenerse cargada a un potencial constante a través de la suspensión de cuarzo.
Dolezalek afirma que la fibra puede hacerse suficientemente conductora para este propósito sumergiéndola en una solución diluida de cloruro de calcio o ácido fosfórico. No he encontrado este método satisfactorio en climas secos, ya que en muchos casos la fibra pierde prácticamente su conductividad tras unos pocos días de exposición al aire seco.
Además de su gran sensibilidad, la ventaja de este instrumento radica en la estabilidad del cero y en la amortiguación automática.
Con este electrómetro se puede obtener fácilmente una sensibilidad de 10.000 divisiones milimétricas por voltio, si se utiliza una fibra muy fina.
Sin embargo, no se puede recomendar el uso de sensibilidades tan altas, excepto para experimentos muy especiales. El período de oscilación de la aguja en estas condiciones es de varios minutos y la fuga natural de los recipientes de prueba empleados, así como las perturbaciones electrostáticas y de otro tipo, se manifiestan de forma más que evidente.
Si se requieren mediciones de corrientes diminutas, es mucho preferible un electroscopio del tipo descrito en la Sección 56 a un electrómetro muy sensible. Las lecturas del electroscopio en tal caso son más precisas que las mediciones similares realizadas con un electrómetro.
Para la mayoría de las medidas en radiactividad, un electrómetro que tenga una sensibilidad de 100 divisiones por voltio es muy adecuado, y no se obtiene ninguna ventaja al usar un electrómetro de mayor sensibilidad.
Si se requiere medir efectos aún menores, la sensibilidad puede aumentarse a varios miles de divisiones por voltio.
62. Ajuste y blindaje.
Al ajustar un electrómetro, es importante disponer las cosas de modo que la aguja quede situada simétricamente respecto a los cuadrantes. Esto se comprueba mejor observando si la aguja se desvía al cargarla, estando todos los cuadrantes conectados a tierra. En la mayoría de los electrompones [Nota del traductor: electrómetros] hay un cuadrante ajustable, cuya posición puede modificarse hasta que la aguja no se desplace al cargarla. Cuando se cumple esta condición, la lectura de cero del electrómetro permanece inalterada a medida que la aguja pierde su carga, y la desviación a ambos lados del cero debe ser la misma para cantidades de electricidad iguales y opuestas.
Los soportes de los cuadrantes requieren estar bien aislados. Las varillas de ebonita suelen ser más satisfactorias para este propósito que las de vidrio.
Al comprobar el aislamiento de los cuadrantes y de las conexiones adjuntas, el sistema se carga para dar una desviación de unas 200 divisiones de la escala.
- Si la aguja no se mueve más de una o dos divisiones tras transcurrir un minuto, el aislamiento puede considerarse bastante satisfactorio.
- Cuando se coloca un desecador adecuado dentro de la caja hermética del electrómetro, el aislamiento de los cuadrantes debe mantenerse en buen estado durante meses.
- Si el aislamiento de la ebonita se deteriora, puede restablecerse fácilmente retirando la superficie de la ebonita en un torno.
Al trabajar con un instrumento sensible como el electrómetro de Dolezalek, es fundamental que el electrómetro y el aparato de prueba estén completamente encerrados en una pantalla de tela metálica conectada a tierra, con el fin de evitar perturbaciones electrostáticas.
Si se va a probar un aparato a cierta distancia del electrómetro, los cables que conducen a él deben estar aislados dentro de cilindros metálicos conectados a tierra. El tamaño de los aislantes utilizados en varios puntos debe hacerse lo más pequeño posible, para evitar perturbaciones debidas a su electrización.
En climas húmedos, la parafina, el ámbar o el azufre aíslan mejor que la ebonita. El inconveniente de la parafina como aislante para electrómetros sensibles radica en la dificultad de eliminar por completo cualquier electrización en su superficie. Una vez que la parafina ha sido cargada, la carga residual, tras deselectrizarla con una llama, continúa filtrándose durante un intervalo largo.
Todos los aislantes deben deselectrizarse mediante una lámpara de alcohol o, mejor aún, dejando un poco de uranio cerca de ellos. Debe tenerse cuidado de no tocar el aislamiento una vez que esté deselectrizado.
En el trabajo de precisión es recomendable evitar el uso de mecheros de gas o llamas Bunsen en las inmediaciones del electrómetro, ya que los gases de la llama están fuertemente ionizados y tardan un cierto tiempo en perder su conductividad.
Si hay sustancias radiactivas presentes en la habitación, es necesario encerrar los cables que conducen al electrómetro en tubos bastante estrechos, conectados a tierra. Si no se hace esto, se observará que la aguja no se mueve a una velocidad constante, sino que se aproxima rápidamente a una desviación estable en la que la velocidad de pérdida de carga del electrómetro y las conexiones, debida a la ionización del aire que los rodea, se equilibra con la corriente que se va a medir.
Esta precaución debe tomarse siempre que se realicen observaciones sobre los rayos muy penetrantes de las sustancias activas. Estos rayos atraviesan fácilmente las pantallas ordinarias e ionizan el aire alrededor del electrómetro y de los cables de conexión. Por esta razón es imposible realizar mediciones precisas de corrientes pequeñas en una habitación que se utiliza para la preparación de material radiactivo.
Con el tiempo, las paredes de la habitación se vuelven radiactivas debido a la diseminación de polvo y a la acción de las emanaciones radiactivas9.
63. Llave para electrómetro.
Para trabajar con electrómetros de alta sensibilidad, es necesaria una llave especial para establecer e interrumpir a distancia la conexión de los cuadrantes con la tierra, con el fin de evitar perturbaciones electrostáticas en el momento en que se va a medir la corriente.
La llave sencilla que se muestra en la Fig. 16 ha resultado muy satisfactoria para este propósito. Una pequeña varilla de latón BM, a la cual está atada una cuerda, puede moverse verticalmente hacia arriba y hacia abajo en un tubo de latón A, que está rígidamente sujeto a un soporte metálico acodado conectado a tierra.
Cuando se suelta la cuerda, dicha varilla hace contacto con el mercurio M, el cual se encuentra en un pequeño recipiente metálico apoyado sobre un bloque de ebonita P. El electrómetro y el recipiente de prueba están conectados al mercurio.
Cuando se tira de la cuerda, la varilla BM se separa del mercurio y se interrumpe la conexión a tierra del sistema del electrómetro. Al soltar la cuerda, la varilla BM cae y el electrómetro vuelve a conectarse a tierra. Por medio de esta llave, que puede accionarse a cualquier distancia del electrómetro, la conexión a tierra puede establecerse e interrumpirse a intervalos determinados sin ninguna perturbación apreciable de la aguja.
64. Aparato de medida.
El dispositivo mostrado en la Fig. 17 es muy conveniente para muchas medidas en radiactividad.
Dos placas metálicas aisladas y paralelas A y B se colocan dentro de un recipiente metálico V, provisto de una puerta lateral.
- La placa A está conectada con un terminal de una batería de pequeños acumuladores, cuyo otro polo está conectado a tierra;
- la placa B con el electrómetro, y
- el recipiente V con la tierra.
Las áreas sombreadas en la figura indican la posición de los aislantes de ebonita. El material activo que se va a medir se extiende uniformemente en una ranura poco profunda (de unos 5 cm de lado y 2 mm de profundidad) en la placa de latón A.
Para evitar romper la conexión de la batería cada vez que se retira la placa A, el cable procedente de la batería está conectado permanentemente al bloque metálico N que descansa sobre el soporte de ebonita. En este dispositivo no hay posibilidad de una fuga por conducción desde la placa A hacia la B, ya que el recipiente V, conectado a tierra, se interpone entre ambas.
Un aparato de esta clase es muy conveniente para ensayar la absorción de las radiaciones por pantallas sólidas, así como para realizar estudios comparativos de la actividad de diferentes cuerpos.
A menos que se empleen preparaciones de radio muy activas, una batería de 300 voltios es suficiente para asegurar la saturación cuando las placas no están a más de 5 centímetros de distancia.
Si se están ensayando sustancias que desprenden una emanación radiactiva, el efecto de dicha emanación puede eliminarse haciendo pasar una corriente constante de aire desde un depósito de gas entre las placas. Esto elimina la emanación tan rápido como se produce.
Si se coloca un plato limpio en el lugar de A, siempre se observa un pequeño movimiento de la aguja del electrómetro. Si no hay sustancia radiactiva en las inmediaciones, este efecto se debe a la pequeña ionización natural del aire. Podemos corregir esta fuga natural cuando sea necesario.
65. Con frecuencia tenemos que medir la actividad debida a las emanaciones de torio o radio, o la actividad inducida producida por dichas emanaciones en varillas o alambres. Un aparato adecuado para este fin se muestra en la Fig. 18.
El cilindro B está conectado a la batería de la manera habitual, y el conductor central A al electrómetro. Esta varilla central está aislada del cilindro externo mediante un tapón de ebonita, el cual está dividido en dos partes por un anillo metálico CC´ conectado a tierra. Este anillo actúa como un anillo de guarda y previene cualquier fuga por conducción entre B y A.
De este modo, a la ebonita sólo se le exige que isole satisfactoriamente para la pequeña elevación de potencial producida en A durante el experimento. En todas las mediciones precisas de corriente en radiactividad se debe emplear siempre el principio del anillo de guarda para asegurar un buen aislamiento. Esto se consigue fácilmente cuando a la ebonita sólo se le pide que isole para una fracción de voltio, en lugar de para varios cientos de voltios, como es el caso cuando el anillo de guarda está ausente.
66. Para las mediciones de radiactividad con un electrómetro, es necesaria una fuente estable de fuerza electromotriz de al menos 300 voltios. Esto se obtiene mejor mediante una batería de pilas pequeñas hechas simplemente sumergiendo tiras de plomo en ácido sulfúrico diluido, o mediante una batería de pequeños acumuladores de construcción habitual. Actualmente se pueden conseguir pequeños acumuladores con una capacidad de aproximadamente medio amperio-hora a un precio moderado, y son más constantes y requieren menos atención que las pilas de plomo simples.
Para medir corrientes en un amplio rango, se requiere una serie graduada de capacidades. La capacidad de un electrómetro y aparato de prueba es usualmente de aproximadamente 50 unidades electrostáticas o 0,000056 microfaradios. Se construyen condensadores subdivididos de mica en los cuales se proporcionan capacidades que varían de 0,001 a 0,2 microfaradios.
Con dicho condensador, se requiere otra capacidad adicional para salvar el intervalo entre la capacidad del electrómetro y la capacidad más baja del condensador. Esta capacidad, de un valor aproximado de 200 unidades electrostáticas, puede construirse fácilmente usando placas paralelas o, aún mejor, cilindros concéntricos.
Con esta serie de capacidades, se pueden medir corrientes entre 3 × 10-14 y 3 × 10-8 amperios, un rango de más de un millón. Se pueden medir corrientes aún mayores si se reduce la sensibilidad del electrómetro, o si se dispone de capacidades mayores.
En una sala destinada a mediciones electrométricas de radiactividad, es conveniente que no haya materia radiactiva presente, excepto la que se va a analizar. La sala también debe estar lo más libre de polvo posible.
La presencia de una gran cantidad de polvo en el aire (véase la sección 31) es un factor muy perturbador en todas las mediciones radiactivas. Se requiere una fuerza electromotriz (F.E.M.) mayor para producir la saturación debido a la difusión de los iones hacia las partículas de polvo. La presencia de polvo en el aire también genera incertidumbre en la distribución de la actividad inducida en un campo eléctrico (véase la sección 181).
67. Medición de la corriente. Para determinar la corriente en el circuito del electrómetro mediante la medición de la velocidad de movimiento de la aguja, es necesario conocer tanto la capacidad del circuito como la sensibilidad del electrómetro.
La i actual viene dada por el producto de la capacidad del sistema y la velocidad de aumento del potencial.
Supongamos, por ejemplo,
Puesto que el electrómetro puede medir fácilmente una corriente correspondiente a un movimiento de media división de escala por segundo, vemos que un electrómetro puede medir una corriente de 3 × 10-14 amperios, lo cual está considerablemente por debajo del rango del galvanómetro más sensible.
La capacidad del electrómetro en sí no debe considerarse igual a la del par de cuadrantes y la aguja cuando se encuentran en una posición de reposo. La capacidad real es mucho mayor que esta debido al movimiento de la aguja cargada.
Supongamos, por ejemplo, que la aguja está cargada a un potencial negativo alto y se mantiene en la posición de cero mediante una restricción externa. Si se suministra una cantidad Q de electricidad positiva al electrómetro y a sus conexiones, todo el sistema se eleva a un potencial V, tal que Q = CV, donde C es la capacidad del sistema.
Sin embargo, cuando se permite que la aguja se mueva, es atraída hacia el par de cuadrantes cargados. Esto corresponde a la introducción de un cuerpo cargado negativamente entre los cuadrantes y, como consecuencia, el potencial del sistema se reduce a V´. La capacidad real C´ del sistema cuando la aguja se mueve es, por tanto, mayor que C, y viene dada por
Por tanto, la capacidad del electrómetro no es una constante, sino que depende del potencial de la aguja, es decir, de la sensibilidad del electrómetro.
Un resultado interesante de importancia práctica se deduce de la variación de la capacidad del electrómetro con el potencial de la aguja.
Si la capacidad externa conectada al electrómetro es pequeña en comparación con la del propio electrómetro, la velocidad de movimiento de la aguja para una corriente constante es, en algunos casos, independiente de la sensibilidad.
Un electrómetro puede usarse durante varios días o incluso semanas para dar deflexiones casi iguales para una corriente constante, sin recargar la aguja, aunque su potencial haya estado disminuyendo constantemente durante el intervalo.
En tal caso, la disminución de la sensibilidad es casi proporcional a la disminución de la capacidad del electrómetro, de modo que la deflexión para una corriente dada se altera muy ligeramente.
La teoría de esta acción ha sido dada por J. J. Thomson10.
68. La capacidad del electrómetro y de sus conexiones no se puede medir mediante ninguno de los métodos de conmutador utilizados para la determinación de capacidades pequeñas, ya que en tales casos la aguja no se mueve y la capacidad medida no es la del sistema del electrómetro cuando está en uso real. El valor de la capacidad puede determinarse, sin embargo, mediante el método de mezclas.
El electrómetro y sus conexiones se cargan a un potencial V1 mediante una batería, y se anota la desviación d1 de la aguja. Mediante una llave aislada, se añade la capacidad del condensador patrón en paralelo con el sistema del electrómetro. Sean V2 el potencial del sistema y d2 la nueva desviación.
Entonces
Una capacidad patrón sencilla para este fin puede construirse con dos tubos concéntricos de latón cuyos diámetros puedan medirse con precisión.
El cilindro externo D (Fig. 19) está montado sobre una base de madera, la cual está cubierta con una hoja de metal o papel de estaño conectada a tierra. El tubo C está sostenido centralmente sobre varillas de ebonita en cada extremo.
La capacidad viene dada aproximadamente por la fórmula
donde b es el diámetro interno de D, a el diámetro externo de C, y l la longitud de los tubos.
El siguiente método puede emplearse en algunos casos con ventaja.
Estando el recipiente de prueba conectado al electrómetro, se coloca una muestra de uranio sobre la placa inferior A. Sean d2 y d1 el número de divisiones recorridas por segundo por la aguja con y sin la capacidad patrón conectada, respectivamente.
Este método tiene la ventaja de que las capacidades relativas se expresan en función del movimiento de la aguja bajo las condiciones reales de medición.
69. Método de desviación constante.
Los métodos de medida descritos anteriormente dependen de la velocidad del movimiento angular de una hoja de oro suspendida o de la aguja de un electrómetro. El galvanómetro solo puede emplearse para mediciones con materia intensamente activa. Sin embargo, desde hace tiempo se siente la necesidad de un método en el que las corrientes de ionización ordinarias puedan medirse mediante una desviación constante de la aguja de un electrómetro. Este es especialmente el caso cuando deben realizarse mediciones con sustancias activas cuya actividad se altera rápidamente en el transcurso de unos pocos minutos.
Esto se puede conseguir evidentemente si el sistema electrómetro (con un par de cuadrantes conectados a tierra) se conecta a tierra a través de una resistencia elevada adecuada.
Se obtendrá una desviación estable de la aguja del electrómetro cuando la velocidad de suministro de electricidad al sistema electrómetro esté equilibrada por la pérdida debida a la conducción a través de la resistencia.
Si la resistencia elevada cumple la ley de Ohm, la desviación debería ser proporcional a la corriente de ionización que se va a medir.
Un simple cálculo muestra que la resistencia requerida es muy grande. Supongamos, por ejemplo, que se ha de medir una corriente correspondiente a una velocidad de movimiento de la aguja de 5 divisiones por segundo, con una sensibilidad de 1000 divisiones por voltio, y donde la capacidad del sistema electrómetro es de 50 unidades electrostáticas.
Esta corriente es igual a 2·8 × 10-13 amperios. Si se requiere una desviación estable de 10 divisiones, lo que corresponde a un aumento de potencial del sistema de ¹⁄₁₀₀ de voltio, la resistencia debería ser de 36.000 megohmios. Para una desviación de 100 divisiones, la resistencia debería ser 10 veces mayor.
El Dr. Bronson11, trabajando en el laboratorio del autor, ha realizado recientemente algunos experimentos con el fin de idear un método práctico para mediciones de este carácter. Es difícil obtener resistencias suficientemente altas y constantes para cumplir con este propósito. Los tubos de xilol tenían una resistencia demasiado grande, mientras que las resistencias de carbón especiales no eran lo suficientemente constantes. El problema se resolvió finalmente mediante el uso de lo que puede llamarse una «resistencia de aire». La disposición del experimento se muestra en la Fig. 20.
El sistema electrómetro estaba conectado con la superior de dos placas paralelas aisladas AB, sobre cuya inferior se había extendido una capa de una sustancia muy activa. Una placa de bismuto activo, recubierta de radiotelurio, obtenida en la casa Sthamer de Hamburgo, resultó muy conveniente para este propósito.
La placa inferior B estaba conectada a tierra. La carga comunicada a la placa superior del recipiente de prueba CD y al sistema electrómetro se fugaba como consecuencia de la fuerte ionización entre las placas AB, y se obtenía una desviación constante cuando la velocidad de suministro era igual a la velocidad de descarga.
Esta resistencia del aire obedecía a la ley de Ohm en un intervalo considerable, es decir, la desviación constante era proporcional a la corriente. Es aconsejable, en un dispositivo de este tipo, comprobar si la desviación es proporcional a la corriente de ionización en el intervalo requerido para la medición. Esto puede hacerse fácilmente mediante el uso de varios recipientes metálicos llenos de una sustancia radiactiva constante como el óxido de uranio. El efecto de estos, al colocarlos en el recipiente de prueba, puede comprobarse por separado y en grupos, y de este modo la escala puede calibrarse con precisión.
Las placas AB se colocaron dentro de un recipiente cerrado para evitar las corrientes de aire. La diferencia de potencial de contacto entre las placas AB, que se manifiesta mediante una desviación constante cuando no hay materia radiactiva presente en CD, fue eliminada en su mayor parte cubriendo la superficie de las placas A y B con una lámina de aluminio muy fina.
Este método demostró ser muy preciso y conveniente para la medición de cambios rápidos en la actividad, y posee muchas ventajas sobre el método de uso ordinario del electrómetro basado en la velocidad.
Una capa delgada de radio de actividad moderada probablemente serviría en lugar del radiotelurio, pero la emanación y los rayos y emitidos por ella serían una posible fuente de perturbación para las mediciones.
La desviación de la aguja del electrómetro en este arreglo es independiente de la capacidad del sistema del electrómetro y, por lo tanto, se pueden realizar mediciones comparativas de corriente sin necesidad de determinar la capacidad en cada caso.
70. Cuarzo piezoeléctrico.
En las medidas de la intensidad de las corrientes mediante electrómetros, siempre es necesario determinar la sensibilidad del instrumento y la capacidad del electrómetro y del aparato acoplado a este. Mediante el cuarzo piezoeléctrico ideado por los hermanos MM. J. y P. Curie12, es posible realizar medidas de la corriente con rapidez y precisión en un amplio margen. Estas medidas son totalmente independientes de la capacidad del electrómetro y del circuito externo.
La parte esencial de este instrumento consiste en una lámina de cuarzo que está cortada de un modo especial. Cuando esta lámina se somete a tensión, se produce una liberación de electricidad de igual cantidad, pero de signo opuesto, en las dos caras de la lámina.
La lámina de cuarzo AB (Fig. 21) se cuelga verticalmente y se añaden pesas al extremo inferior. La lámina está cortada de manera que el eje óptico del cristal sea horizontal y forme ángulos rectos con el plano del papel.
Las dos caras A y B son normales a uno de los ejes binarios (o ejes eléctricos) del cristal. La tensión debe aplicarse en una dirección normal a los ejes óptico y eléctrico.
Las dos caras A y B están plateadas, pero la porción principal de la placa está aislada eléctricamente mediante la eliminación de una estrecha franja del plateado cerca de los extremos superior e inferior de la placa. Un lado de la placa está conectado con el electrómetro y con el conductor, cuya velocidad de fuga ha de medirse.
La cantidad de electricidad liberada en una cara de la placa viene dada de forma exacta por
donde L es la longitud de la porción aislada de la placa, b el grosor AB, y F el peso aplicado en kilogramos. Q se expresa entonces en unidades electrostáticas.
Supongamos, por ejemplo, que se requiere medir la corriente entre las placas CD (Fig. 21) debida a algún material radiactivo sobre la placa C, para una diferencia de potencial dada entre C y D.
En un instante dado se rompe la conexión de los cuadrantes del electrómetro con la tierra. El peso se une a la placa de cuarzo y se sostiene con la mano de modo que la tensión se aplique gradualmente. Esto causa una liberación de electricidad de signo opuesto a la proporcionada a la placa D.
La aguja del electrómetro se mantiene en la posición de reposo lo más cerca posible mediante el ajuste manual de la tensión. Estando la tensión plenamente aplicada, se anota el momento en que la aguja comienza a moverse de manera constante desde cero.
La corriente entre las placas CD viene dada entonces por Q/t, donde t es el tiempo de la observación. El valor de Q se conoce a partir del peso unido.
En este método, el electrómetro se utiliza únicamente como un detector para mostrar que el sistema se mantiene a potencial cero. No se requiere ningún conocimiento de la capacidad del sistema aislado. Con la práctica, las mediciones de la corriente se pueden realizar de este modo con rapidez y seguridad.