CAPÍTULO XIII. PROCESOS RADIACTIVOS.

254. Teorías de la radiactividad. En los capítulos anteriores se ha ofrecido una explicación detallada de la naturaleza y las propiedades de las radiaciones, así como de los complejos procesos que tienen lugar en las sustancias radiactivas. Los numerosos productos que surgen de los radioelementos han sido examinados minuciosamente y se ha demostrado que provienen de la transformación del elemento progenitor a través de varias etapas bien definidas. En este capítulo se considerará con mayor detalle la aplicación de la teoría de la desintegración a la explicación de los fenómenos radiactivos, y se discutirán brevemente las deducciones lógicas que se pueden extraer de dicha teoría.

Se dará primero una revisión de las hipótesis de trabajo que han servido de guía a los investigadores en el campo de la radiactividad.

Estas teorías de trabajo han sido modificadas o ampliada en muchos casos con el avance del conocimiento experimental.

Los primeros experimentos de Mme. Curie habían indicado que la radiactividad era un fenómeno atómico y no molecular. Esto quedó aún más fundamentado por trabajos posteriores, y la detección y el aislamiento del radio a partir de la pecblenda supuso una brillante verificación de la veracidad de esta hipótesis.

El descubrimiento de que los rayos β de los elementos radiactivos eran similares a los rayos catódicos producidos en un tubo de vacío supuso un avance importante y ha constituido la base de varias teorías posteriores. J. Perrin¹, en 1901, siguiendo las opiniones de J. J. Thomson y otros, sugirió que los átomos de los cuerpos constaban de partes y podían asemejarse a un sistema planetario en miniatura. En los átomos de los elementos radiactivos, las partes que componían los átomos más alejadas del centro podrían ser capaces de escapar de la atracción central y dar lugar así a la radiación de energía observada.

En diciembre de 1901, Becquerel² propuso la siguiente hipótesis, que, según afirmó, le había servido de guía en sus investigaciones.

Según el punto de vista de J. J. Thomson, la materia radiactiva consta de partículas cargadas negativa y positivamente. Las primeras tienen una masa de aproximadamente ¹⁄₁₀₀₀ de la masa del átomo de hidrógeno, mientras que las segundas tienen una masa unas mil veces mayor que la de la partícula negativa. Las partículas cargadas negativamente (los rayos β) serían proyectadas con gran velocidad, pero las partículas positivas, de mayor tamaño, con una velocidad mucho menor, formando una especie de gas (la emanación) que se deposita sobre la superficie de los cuerpos. Esto a su vez se subdividiría, dando lugar a rayos (actividad inducida).

En un artículo comunicado a la Royal Society en junio de 1900, Rutherford y McClung³ estimaron que la energía irradiada en forma de rayos ionizantes hacia el gas era de 3000 gramos-calorías por año para el radio con una actividad de 100.000 veces la del uranio.

Tomando la estimación más reciente de la actividad de un compuesto de radio puro como 2.000.000, esto correspondería a una emisión de energía hacia el gas en forma de rayos $\alpha$ de aproximadamente 66.000 gramos-calorías por gramo y por año.

Se sugirió que esta energía podría derivarse de una reagrupación de los constituyentes del átomo de los elementos radiactivos, y se señaló que la energía potencial que se obtendría de una mayor concentración de los componentes del átomo era grande en comparación con la liberada en las reacciones moleculares.

En los artículos originales⁴ que informan sobre el descubrimiento de la emanación del torio y la radiactividad inducida producida por ella, se adoptó el criterio de que ambas manifestaciones se debían a material radiactivo. La emanación se comportaba como un gas, mientras que la materia que causaba la actividad inducida se fijaba a los sólidos y podía disolverse en unos ácidos pero no en otros.

Rutherford y la señorita Brooks demostraron que la emanación del radio se difunde por el aire como un gas de elevado peso molecular. En una fecha posterior, Rutherford y Soddy demostraron que las emanaciones del radio y del torio se comportaban como gases químicamente inertes, ya que no se veían afectadas por los tratamientos físico y químico más drásticos.

Por otra parte, P. Curie, quien, en colaboración con Debierne, había realizado una serie de investigaciones sobre la emanación del radio, expresó su desacuerdo con este punto de vista. P. Curie⁵ no consideraba que hubiera pruebas suficientes de que la emanación fuera de naturaleza material, y señaló que aún no se había obtenido ninguna prueba espectroscópica de su presencia, y también que la emanación desaparecía cuando se encontraba confinada en un recipiente sellado.

El autor⁶ señaló que la imposibilidad de detectar líneas espectroscópicas era probablemente consecuencia de la ínfima cantidad de emanación presente, bajo condiciones ordinarias, a pesar de que los efectos eléctricos y fosforescentes producidos por esta pequeña cantidad son muy acusados. Esta afirmación se ve respaldada por trabajos posteriores. P. Curie adoptó inicialmente la postura de que la emanación no era material, sino que consistía en centros de condensación de energía unidos a las moléculas de gas y que se movían con ellas.

El Sr. y la Sra. Curie han adoptado en todo momento un punto de vista muy general sobre los fenómenos de la radiactividad, y no han propuesto ninguna teoría definitiva. En enero de 1902, dieron cuenta de la teoría general de trabajo⁷ que les había servido de guía en sus investigaciones.

La radiactividad es una propiedad atómica, y el reconocimiento de este hecho había dado origen a sus métodos de investigación. Cada átomo actúa como una fuente constante de emisión de energía. Esta energía puede derivarse de la energía potencial del propio átomo, o bien cada átomo puede actuar como un mecanismo que recupera al instante la energía perdida. Sugirieron que esta energía podría tomarse prestada del aire circundante de alguna manera no explicada por el principio de Carnot.

En el curso de un estudio detallado de la radiactividad del torio, Rutherford y Soddy⁸ descubrieron que era necesario suponer que el torio producía continuamente a partir de sí mismo nuevos tipos de materia activa, los cuales poseen una actividad temporal y difieren en sus propiedades químicas del propio torio.

Se demostró que la constante radiactividad del torio era el resultado del equilibrio entre los procesos de producción de materia activa y la transformación de la ya producida.

Al mismo tiempo, se propuso la teoría de que la producción de materia activa era consecuencia de la desintegración del átomo.

El trabajo del año siguiente se dedicó a un examen de la radiactividad del uranio y del radio en líneas similares, y se descubrió que las conclusiones ya propuestas para el torio eran igualmente válidas para el uranio y el radio⁹.

El descubrimiento de una condensación de las emanaciones radiactivas¹⁰ dio apoyo adicional a la opinión de que las emanaciones tenían un carácter gaseoso. Mientras tanto, el autor¹¹ había descubierto que los rayos consistían en cuerpos cargados positivamente de tamaño atómico, proyectados con gran velocidad. El descubrimiento de la naturaleza material de estos rayos sirvió para fortalecer la teoría de la desintegración atómica y, al mismo tiempo, para ofrecer una explicación de la conexión entre los rayos α y los cambios que ocurren en los elementos radiactivos. En un artículo titulado «Cambio radiactivo», Rutherford y Soddy¹² expusieron con cierto detalle la teoría de la desintegración atómica como explicación de los fenómenos de la radiactividad y, al mismo tiempo, se discutieron algunas de las consecuencias más importantes que se desprenden de la teoría.

En un artículo en el que anuncian el descubrimiento de la emisión de calor del radio, P. Curie y Laborde¹³ afirman que puede suponerse igualmente que la energía térmica deriva de una desintegración del átomo de radio o de la energía absorbida por el radio de alguna fuente externa.

J. J. Thomson en un artículo sobre el «radio», comunicado a Nature¹⁴, expuso el punto de vista de que la emisión de energía por parte del radio se debe probablemente a algún cambio en el interior del átomo, y señaló que una gran reserva de energía se liberaría mediante una contracción del átomo.

Sir William Crookes¹⁵, en 1899, propuso la teoría de que los elementos radiactivos poseen la propiedad de extraer energía del gas.

Si las moléculas en movimiento, al chocar con mayor velocidad contra la sustancia, se liberaran de la sustancia activa a una velocidad mucho menor, la energía liberada por los radioelementos podría derivarse de la atmósfera.

Esta teoría fue propuesta nuevamente más tarde para explicar la gran emisión de calor del radio, descubierta por P. Curie y Laborde.

F. Re¹⁶ recently advanced a very general theory of matter with a special application to radio-active bodies. He supposes that the parts of the atom were originally free, constituting a nebula of extreme tenuity. These parts have gradually become united round centres of condensation, and have thus formed the atoms of the elements.

On this view an atom may be likened to an extinct sun. The radio-active atoms occupy a transitional stage between the original nebula and the more stable chemical atoms, and in the course of their contraction give rise to the heat emission observed.

Lord Kelvin, en una ponencia presentada en la reunión de la Asociación Británica de 1903, ha sugerido que el radio puede obtener su energía de fuentes externas.

Si se coloca un trozo de papel blanco en un recipiente y un trozo de papel negro en un recipiente exactamente igual, al exponer ambos recipientes a la luz, se observa que el recipiente que contiene el papel negro se encuentra a una temperatura más alta.

Sugiere que el radio, de manera similar, puede mantener su temperatura por encima de la del aire circundante mediante su poder de absorción de radiaciones desconocidas.

Richarz y Schenck¹⁷ han sugerido que la radiactividad puede deberse a la producción y descomposición del ozono, el cual se sabe que es producido por las sales de radio.

255. Discusión de teorías.

Del examen de las hipótesis generales propuestas como posibles explicaciones de la radiactividad, se observa que pueden dividirse en términos generales en dos clases: una que supone que la energía emitida por los radioelementos se obtiene a expensas de la energía interna del átomo, y otra que supone que la energía proviene de fuentes externas, pero que los radioelementos actúan como mecanismos capaces de transformar dicha energía tomada prestada en las formas especiales que se manifiestan en los fenómenos de la radiactividad.

De estos dos conjuntos de hipótesis, el primero parece ser el más probable y el que cuenta con un mejor respaldo por parte de la evidencia experimental. Hasta el presente no se ha aportado ni la más mínima prueba experimental que demuestre que la energía del radio proviene de fuentes externas.

J. J. Thomson (loc. cit.) ha tratado la cuestión de la siguiente manera:—

“Se ha sugerido que el radio deriva su energía del aire que lo rodea, que los átomos de radio poseen la facultad de extraer la energía cinética de las moléculas de aire que se mueven más rápidamente, al tiempo que son capaces de conservar su propia energía al chocar con las moléculas de aire que se mueven con lentitud.

No alcanzo a ver, sin embargo, que ni siquiera la posesión de esta propiedad explique el comportamiento del radio; pues imaginemos una porción de radio colocada en una cavidad dentro de un bloque de hielo; el hielo alrededor del radio se derrite; ¿de dónde proviene la energía para esto?

Según la hipótesis, no hay cambio en el sistema aire-radio dentro de la cavidad, pues la energía ganada por el radio la pierde el aire, mientras que el calor no puede fluir hacia la cavidad desde el exterior, ya que el hielo derretido alrededor de la cavidad está más caliente que el hielo que lo rodea”.

El escritor ha descubierto recientemente que la actividad del radio no se altera al rodearlo con una gran masa de plomo. Se fundió un cilindro de plomo de 10 cm de diámetro y 10 cm de altura. Se taladró un orificio en uno de los extremos del cilindro hasta el centro, y el radio, encerrado en un pequeño tubo de vidrio, se colocó en la cavidad. A continuación, la abertura se cerró herméticamente. La actividad se midió por la velocidad de descarga de un electroscopio mediante los rayos $\gamma$ transmitidos a través del plomo, pero no se observó ningún cambio apreciable durante un período de un mes.

M. y Mme. Curie sugirieron en un principio que la radiación de energía de los cuerpos radiactivos podría explicarse suponiendo que el espacio está atravesado por un tipo de rayos Röntgen, y que los elementos radiactivos poseen la propiedad de absorberlos.

Experimentos recientes (sección 279) han demostrado que en la superficie de la tierra hay presente un tipo de rayos muy penetrantes, similares a los rayos γ del radio. Incluso si se supusiera que los elementos radiactivos poseen el poder de absorber esta radiación, la energía de los rayos es demasiado pequeña para explicar siquiera la energía irradiada por un elemento de baja actividad como el uranio.

Además, todas las pruebas obtenidas hasta el momento apuntan a la conclusión de que los cuerpos radiactivos no absorben el tipo de rayos que emiten en mayor medida de lo que cabría esperar por su densidad. Se ha demostrado (sección 86) que esto es cierto en el caso del uranio.

Aun si se supusiera que los elementos radiactivos poseen la propiedad de absorber la energía de algún tipo desconocido de radiación, capaz de atravesar la materia ordinaria con escasa absorción, sigue existiendo la dificultad fundamental de explicar las peculiares radiaciones de los elementos radiactivos y la serie de cambios que se producen en ellos. No nos basta con explicar únicamente la emisión de calor, pues se ha demostrado (capítulo XII) que la emisión de calor está directamente relacionada con la radiactividad.

Además, la distribución de la emisión de calor del radio entre los productos radiactivos que surgen de él es extremadamente difícil de explicar bajo la hipótesis de que la energía emitida se toma prestada de fuentes externas.

Se ha demostrado que más de dos tercios del calor emitido por el radio se deben a la emanación junto con el depósito activo producido por la emanación. Cuando la emanación se separa del radio, su poder de emitir calor, tras alcanzar un máximo, disminuye con el tiempo según una ley exponencial.

Por consiguiente, según la hipótesis de la absorción, sería necesario postular que la mayor parte de la emisión de calor del radio, observada en condiciones ordinarias, no se debe al radio en sí, sino a algo producido por el radio, cuyo poder de absorber energía de fuentes externas disminuye con el tiempo.

Un argumento similar se aplica también a la variación con el tiempo del efecto calorífico del depósito activo producido a partir de la emanación.

Se ha demostrado en el capítulo anterior que la mayor parte del efecto calorífico observado en el radio y sus productos debe atribuirse al bombardeo de las partículas $\alpha$ expulsadas de estas sustancias.

Ya se ha señalado (sección 136) que es difícil imaginar cualquier mecanismo, ya sea interno o externo, mediante el cual se pueda imprimir repentinamente una velocidad tan enorme a las partículas $\alpha$. Nos vemos obligados a llegar a la conclusión de que la partícula $\alpha$ no adquirió repentinamente esta energía de movimiento, sino que inicialmente se encontraba en rápido movimiento en el átomo y, por alguna razón, fue liberada repentinamente con la velocidad que poseía previamente en su órbita.

La prueba más firme en contra de la hipótesis de la absorción de energía externa es que dicha teoría ignora el hecho de que, siempre que se observa radiactividad, va acompañada invariablemente de algún cambio que puede detectarse por la aparición de nuevos productos con propiedades químicas distintas a las de las sustancias originales. Esto conduce a alguna forma de teoría "química", y otros resultados demuestran que el cambio es atómico y no molecular.

256. Teoría del cambio radiactivo.

Los procesos que ocurren en los radioelementos son de una naturaleza completamente distinta a cualquier otra observada previamente en química. Aunque se ha demostrado se debe la radiactividad a la producción espontánea y continua de nuevos tipos de materia activa, las leyes que controlan esta producción son diferentes a las leyes de las reacciones químicas ordinarias.

No se ha encontrado posible de ninguna manera alterar ni la velocidad a la que se produce la materia ni su velocidad de cambio una vez producida. La temperatura, que es un factor tan importante para alterar la velocidad de las reacciones químicas, carece casi por completo de influencia en estos casos. Además, no se conoce ningún cambio químico ordinario que esté acompañado por la expulsión de átomos cargados con gran velocidad.

Armstrong y Lowry¹⁸ han sugerido que la radiactividad puede ser una forma exagerada de fluorescencia o fosforescencia con una velocidad de descomposición muy lenta. Pero hasta ahora no se ha demostrado que ninguna forma de fosforescencia esté acompañada de radiaciones del carácter de las emitidas por los elementos radiactivos.

Cualquier hipótesis que se proponga para explicar la radiactividad debe dar cuenta no solo de la producción de una serie de productos activos, que difieren en sus propiedades químicas y físicas entre sí y del elemento progenitor, sino también de la emisión de rayos de un carácter especial.

Además de esto, es necesario dar cuenta de la gran cantidad de energía irradiada continuamente por los elementos radiactivos.

Los radioelementos, además de sus elevados pesos atómicos, no poseen en común ninguna característica química especial que los diferencie de los demás elementos, los cuales no poseen la propiedad de la radioactividad en un grado apreciable. De todos los elementos conocidos, el uranio, el torio y el radio poseen los mayores pesos atómicos, a saber: radio 225, torio 232,5 y uranio 240.

Si se toma un peso atómico elevado como prueba de una estructura complicada del átomo, cabría esperar que la desintegración ocurriera más fácilmente en los átomos pesados que en los ligeros.

Al mismo tiempo, no hay razón para suponer que los elementos de mayor peso atómico deban ser los más radiactivos; de hecho, el radio es mucho más activo que el uranio, aunque su peso atómico es menor.

Esto se observa también en el caso de los productos radiactivos; por ejemplo, la emanación del radio es enormemente más activa, peso por peso, que el propio radio, y hay buenas razones para creer que la emanación tiene un átomo más ligero que el del radio.

Para explicar los fenómenos de la radiactividad, Rutherford y Soddy han avanzado la teoría de que los átomos de los radioelementos sufren una desintegración espontánea, y que cada átomo desintegrado pasa a través de una sucesión de cambios bien marcados, acompañados en la mayoría de los casos por la emisión de rayos $\alpha$.

Ya se ha dado una exposición preliminar de esta hipótesis en la sección 136, mientras que la teoría matemática de los cambios sucesivos, que se basa en ella, ha sido tratada en el capítulo IX.

La teoría general se ha utilizado en los capítulos X y XI para explicar las numerosas sustancias activas que se encuentran en el uranio, el torio, el actinio y el radio.

La teoría supone que, en promedio, una proporción pequeña y definida de los átomos de cada sustancia radiactiva se vuelve inestable en un tiempo dado. Como resultado de esta inestabilidad, los átomos se desintegran.

En la mayoría de los casos, la desintegración es de una violencia explosiva y va acompañada de la eyección de una partícula $\alpha$ a gran velocidad; en unos pocos casos, las partículas $\alpha$ y $\beta$ son expulsadas juntas, mientras que en otros escapa únicamente una partícula $\beta$. En algunos casos, el cambio en el átomo parece ser de carácter menos violento y no va acompañado de la expulsión de ninguna partícula $\alpha$ o $\beta$. La explicación de estos cambios sin rayos se considera en la sección 259.

La expulsión de una partícula $\alpha$, de una masa aproximada de dos veces la del átomo de hidrógeno, deja tras de sí un nuevo sistema más ligero que el original, y que posee propiedades químicas y físicas muy diferentes de las del elemento original. Este nuevo sistema vuelve a ser inestable y expulsa otra partícula $\alpha$. El proceso de desintegración, una vez iniciado, avanza de etapa en etapa a un ritmo definido y medible en cada caso.

En cualquier momento posterior al inicio de la desintegración, existe una proporción de la materia original que permanece inalterada, mezclada con la parte que ha sufrido un cambio.

Esto concuerda con el hecho observado de que el espectro del radio, por ejemplo, no cambia progresivamente con el tiempo.

El radio se descompone tan lentamente que solo una pequeña fracción se ha transformado en el transcurso de unos pocos años.

• La parte inalterada todavía muestra su espectro característico, y seguirá haciéndolo mientras exista algo de radio.

Al mismo tiempo, es de esperar que, en el radio viejo, también aparezca el espectro de aquellos productos que existan en alguna cantidad.

El término metabolón se ha sugerido como una expresión conveniente para cada uno de estos átomos cambiantes, derivados de la desintegración sucesiva de los átomos de los elementos radioactivos.

Cada metabolon, en promedio, existe únicamente durante un tiempo limitado. En un conjunto de metabolones del mismo tipo, el número N que permanece inalterado en un tiempo t posterior a la producción viene dado por

donde N₀ es el número original. Ahora dN/dt = -λN, o la fracción de los metabolones presentes, que cambia en la unidad de tiempo, es igual a λ. El valor 1/λ puede tomarse como la vida media de cada metabolon.

Esto puede demostrarse simplemente del siguiente modo:—En cualquier momento t después de que se hayan apartado N₀ metabolons, el número que cambia en el tiempo dt es igual a $\lambda Ndt$ o

Cada metabolón tiene una vida t, de modo que la vida promedio del número total está dada por

Los distintos metabolones de los elementos radiactivos se distinguen de la materia ordinaria por su gran inestabilidad y, en consecuencia, por su rápida tasa de cambio.

Puesto que un cuerpo que es radiactivo debe, ipso facto, estar experimentando un cambio, se deduce que ninguno de los productos activos, por ejemplo, las emanaciones y el Th X, puede consistir en ningún tipo conocido de materia; pues no hay pruebas que demuestren que la materia inactiva pueda volverse radiactiva, ni que puedan existir dos formas del mismo elemento, una radiactiva y la otra no.

Por ejemplo, la mitad de la materia que constituye la emanación del radio ha experimentado un cambio tras un intervalo de cuatro días. Transcurrido aproximadamente un mes, la emanación como tal casi ha desaparecido, al haberse transformado a través de varias etapas en otros tipos de materia más estables y, por consiguiente, difíciles de detectar por su radiactividad.

Ya se ha llamado la atención en el capítulo IX sobre la notable diferencia de propiedades químicas y físicas que existe en muchos casos entre los diversos productos mismos, y también entre la sustancia activa primaria y sus productos.

Algunos de los productos muestran un comportamiento electroquímico distintivo y pueden eliminarse de una solución mediante electrólisis. Otros muestran diferencias de volatilidad que se han utilizado para efectuar una separación parcial.

No puede caber duda de que cada uno de estos productos es una sustancia química nueva y bien definida, y que si pudiera recolectarse en cantidad suficiente para ser examinada por medios químicos ordinarios, se descubriría que se comporta como un elemento químico distinto. Sin embargo, se diferenciaría del elemento químico ordinario en la brevedad de su vida y en el hecho de que se transforma continuamente en otra sustancia.

Veremos más adelante (sección 261) que hay razones de sobra para creer que el propio radio es un «metabolón» en el verdadero sentido del término, ya que cambia continuamente y es producido a su vez por otra sustancia. El principal punto de diferencia entre este y los demás productos radica en la relativa lentitud de su velocidad de cambio.

Por esta razón, el radio existe en la pechblenda en mayor cantidad que los otros productos de cambio más rápido.

Procesando una gran cantidad del mineral, hemos visto que se ha obtenido una cantidad suficiente del producto puro para su examen químico.

Debido a la corta vida de la emanación, existe en la pechblenda en una cantidad mucho menor que el radio, pero esta también ha sido aislada químicamente y su volumen medido.

Las extraordinarias propiedades de esta emanación, o gas, ya han sido discutidas, y no cabe duda de que, mientras exista, debe ser considerada como un nuevo elemento emparentado en sus propiedades químicas con el grupo de gases argón-helio.

No puede haber duda de que en los radioelementos estamos presenciando la transformación espontánea de la materia, y que los diferentes productos que surgen marcan las etapas o lugares de paso en el proceso de transformación, donde los átomos son capaces de existir durante un corto tiempo antes de desintegrarse nuevamente en nuevos sistemas.

257. Productos radioactivos.

La siguiente tabla ofrece la lista de los productos activos o metabolones que se sabe resultan de la desintegración de los tres radioelementos. En la segunda columna se da el valor de la constante radioactiva $\lambda$ para cada producto activo, es decir, la proporción de materia activa que experimenta cambio por segundo; en la tercera columna, el tiempo T requerido para que la actividad disminuya a la mitad, es decir, el tiempo necesario para que la mitad del producto activo experimente cambio; en la cuarta columna, la naturaleza de los rayos de cada producto activo, sin incluir los rayos de los productos que resultan de él; en la quinta columna, algunas de las propiedades físicas y químicas más destacadas de cada metabolón.

Los productos y sus radiaciones se indican gráficamente en la Fig. 102 en la página 448.

Se ha observado un producto en el uranio, cuatro en el torio, cuatro en el actinio y siete en el radio. No es improbable que un examen más detenido de los radioelementos revele aún más cambios.

Si existen transformaciones muy rápidas, serían muy difíciles de detectar. El cambio del torio X en la emanación, por ejemplo, probablemente no se habría descubierto si el producto del cambio no hubiera sido de carácter gaseoso.

La electrólisis de las disoluciones es, en muchos casos, un método muy potente para separar los productos activos unos de otros, y sus posibilidades aún no se han agotado. La familia principal de cambios de los radioelementos, hasta donde se conoce, ha sido investigada detalladamente, y no es probable que se haya pasado por alto ningún producto con una velocidad de cambio comparativamente lenta.

Existe la posibilidad, sin embargo, de que en algunos casos surjan dos productos radiactivos de la desintegración de una sola sustancia. Este punto se analiza más a fondo en la sección 260.

La manera notable en que la teoría de la desintegración puede aplicarse para desentrañar las complejidades de la sucesión de cambios radiactivos se ilustra muy bien en el caso del radio.

Sin su ayuda, no habría sido posible desenmarañar los complicados procesos que tienen lugar. Ya hemos visto que este análisis ha contribuido fundamentalmente a demostrar que las sustancias polonio, radiotelurio y radioplomo son en realidad productos del radio.

Después de que las sustancias radiactivas han experimentado la sucesión de cambios descrita anteriormente, se llega a una etapa final en la que los átomos son permanentemente estables o cambian con tanta lentitud que es difícil detectar su presencia mediante su radiactividad.

Es probable, sin embargo, que el proceso de transformación aún continúe a través de otras etapas lentas.

Existe hoy en día una considerable evidencia de que los elementos uranio, radio y actinio están íntimamente conectados entre sí. Los dos últimos probablemente provienen de la desintegración del uranio. La evidencia que apoya esta idea se expone en la sección 262, pero aún queda mucho trabajo por hacer para tender un puente sobre los vacíos que actualmente parecen separar a estos elementos unos de otros.

Una vez que la serie de transformaciones haya llegado a su fin, probablemente quedará uno o varios productos que serán inactivos, o activos solo en un grado mínimo.

Además, dado que las partículas $\alpha$, expulsadas durante la transformación, son de naturaleza material y no radiactivas, deben acumularse en cierta cantidad dentro de la materia radiactiva. La probabilidad de que las partículas $\alpha$ consistan en helio se considera más adelante en la sección 268.

El valor de T, el tiempo necesario para que un producto se transforme a la mitad, puede tomarse como una medida comparativa de la estabilidad de los diferentes metabolones.

La estabilidad de los productos varía dentro de un margen muy amplio. Por ejemplo, el valor de T para el radio D es de 40 años, y para la emanación del actinio, de 3,9 s. Esto corresponde a un margen de estabilidad medido por 3,8 × 10⁸. El margen de estabilidad se amplía aún más si se tiene en cuenta que los átomos de los próprios radioelementos cambian muy lentamente.

Los únicos dos metabolones de aproximadamente la misma estabilidad son el torio X y la emanación del radio. En cada caso, la transformación se completa a medias en unos cuatro días.

Considero que la coincidencia aproximada de los números es una mera coincidencia, y que los dos tipos de materia son bastante distintos el uno del otro; pues, si los metabolones fuesen idénticos, cabría esperar que los cambios subsiguientes tuviesen lugar de la misma manera y a la misma velocidad, pero no es este el caso.

Además, el Th X y la emanación del radio poseen propiedades químicas y físicas bastante distintas entre sí.

Es muy notable que las tres sustancias radiactivas, el radio, el torio y el actinio, muestren una semejanza tan estrecha en la sucesión de los cambios que ocurren en ellas. Cada una de ellas, en una etapa de su desintegración, emite un gas radiactivo, y en cada caso este gas se transforma en un sólido que se deposita sobre la superficie de los cuerpos.

Parecería que, una vez que ha comenzado la desintegración de un átomo de cualquiera de estas, hay una sucesión similar de cambios, en los cuales los sistemas resultantes tienen propiedades químicas y físicas emparentadas.

Dicha conexión es de interés por indicar un posible origen de la recurrencia de propiedades en los átomos de los elementos, tal como lo ejemplifica la ley periódica.

La conexión entre el torio y el actinio es especialmente estrecha tanto en lo que respecta al número como a la naturaleza de los productos. El período de transformación de los productos sucesivos, aunque difiere en magnitud, sube y baja de una manera muy análoga. Esto indica que los átomos de estos dos elementos tienen una constitución muy similar.

258. Cantidad de los productos. Mediante la aplicación de la teoría de los cambios sucesivos, se puede calcular fácilmente la cantidad probable de cada uno de los productos presentes en el radio y en los demás elementos radiactivos.

Dado que cada radioátomo expulsa una partícula $\alpha$ de peso atómico aproximado al del hidrógeno o el helio, los átomos de los productos intermediarios no diferirán mucho en peso del átomo progenitor.

El peso aproximado de cada producto presente en un gramo de radio puede deducirse fácilmente.

Sean N_A, N_B, N_C el número de átomos de los productos A, B, C presentes por gramo en equilibrio radiactivo. Sean λ_A, λ_B, λ_C las constantes de cambio correspondientes.

Entonces, si q es el número de átomos progenitores que se desintegran por segundo y por gramo,

Considérese el caso de los productos del radio, en el que el valor de q es 6·2 × 10¹⁰ (sección 93). Conociendo el valor de λ y q, puede calcularse inmediatamente el valor de N. El peso correspondiente puede deducirse, ya que en un gramo de materia de peso atómico alrededor de 200, hay aproximadamente 4 × 10²¹ átomos (sección 39). Los resultados se muestran en la siguiente tabla:—

Con las pequeñas cantidades de radio disponibles, las cantidades de los productos radio A, B y C son demasiado pequeñas para pesarlas. Puede ser posible, sin embargo, detectar su presencia por medio del espectroscopio.

En el caso del torio, el peso del producto Th X, que se encuentra en mayor cantidad, es demasiado pequeño para ser detectado.

Dado que el valor de $\lambda$ para el Th X es aproximadamente el mismo que para la emanación del radio, el peso máximo presente por gramo es de aproximadamente $4\times {10}^{-12}$ de gramo, recordando que q para el radio es aproximadamente $2\times {10}^6$ veces el valor para el torio. Incluso con un kilogramo de torio, la cantidad de Th X es demasiado pequeña para ser detectada por su peso.

Este método puede emplearse en general para calcular las cantidades relativas de cualesquiera productos sucesivos en equilibrio radiactivo, siempre que se conozca el valor de λ para cada producto.

Por ejemplo, se demostrará más adelante que el uranio es el progenitor del radio y se transforma a la mitad en unos 6 × 10⁸ años, mientras que el radio y el radio D se transforman a la mitad en 1300 y 40 años respectivamente.

El peso del radio presente en un gramo de uranio, cuando se establece el equilibrio, es por tanto de 2 × 10^-6 gramos, y el peso del radio D es de 7 × 10^-8 gramos.

En un mineral que contenga una tonelada de uranio debería haber unos 1,8 gramos de radio y 0,063 gramos de radio D. Algunos experimentos recientes descritos en la sección 262 muestran que estas estimaciones teóricas son aproximadamente el doble de grandes de lo debido.

259. Cambios sin radiación. La existencia de cambios bien marcados en el radio, el torio y el actinio, que no van acompañados de la expulsión de partículas $\alpha$ o $\beta$, es de gran interés e importancia.

Como los cambios sin rayos no van acompañados de una ionización apreciable del gas, su presencia no puede detectarse por medios directos.

Sin embargo, la velocidad de cambio de la sustancia puede determinarse indirectamente, como hemos visto, mediante la medida de la variación con el tiempo de la actividad del producto subsiguiente.

Se ha encontrado que la ley de cambio es la misma que para los cambios que dan lugar a rayos $\alpha$. Los cambios sin rayos son así análogos, en algunos aspectos, a los cambios monomoleculares observados en química, con la diferencia de que los cambios se producen en el átomo mismo, y no se deben a la descomposición de una molécula en moléculas más simples o en sus átomos constituyentes.

Debe suponerse que un cambio sin emisión de rayos no es de un carácter tan violento como aquel que da lugar a la expulsión de partículas $\alpha$ o $\beta$. El cambio puede explicarse ya sea suponiendo que hay una reorganización de los componentes del átomo, o bien que el átomo se desintegra sin la expulsión de sus partes con la velocidad suficiente como para producir ionización por colisión con el gas.

Este último punto de vista, de ser correcto, indica de inmediato la posibilidad de que estén ocurriendo lentamente cambios no detectados de un carácter similar en los elementos no radiactivos; o, en otras palabras, que toda la materia puede estar experimentando un proceso lento de cambio.

Los cambios que tienen lugar en los radioelementos solo se han observado como consecuencia de la expulsión con gran velocidad de las partes del átomo desintegrado. Algunos experimentos recientes descritos en el Apéndice A muestran que la partícula $\alpha$ del radio deja de ionizar el gas cuando su velocidad cae por debajo de unos ${10}^9\text{ cm}$ por segundo.

Se ve así que las partículas $\alpha$ pueden ser proyectadas con una gran velocidad y, sin embargo, no lograr producir ionización en el gas. En tal caso, sería difícil seguir los cambios mediante el método eléctrico, ya que los efectos eléctricos serían muy pequeños en comparación con aquellos producidos por los cuerpos radiactivos conocidos.

260. Radiaciones de los productos. Hemos visto que la gran mayoría de los productos radiactivos se desintegran con la expulsión de partículas $\alpha$, y que la partícula $\beta$, con su acompañamiento del rayo $\gamma$, aparece en la mayoría de los casos únicamente en el último cambio rápido.

En el caso del radio, por ejemplo, que ha sido investigado más de cerca debido a su gran actividad, el radio mismo, la emanación y el radio A emiten solo partículas $\alpha$; el radio B no emite ningún rayo; mientras que el radio C emite los tres tipos de rayos.

Es difícil determinar con certeza si los productos torio X y actinio X emiten partículas $\beta$ o no, pero los rayos $\beta$ y $\gamma$ ciertamente aparecen en cada caso en el último cambio rápido del depósito activo y, a este respecto, se comportan de manera similar al radio.

Los electrones de movimiento muy lento que acompañan a las partículas emitidas por el radio (sección 93) no se toman en cuenta, pues parecen ser liberados como resultado del impacto de las partículas $\alpha$ sobre la materia, y son expulsados con una velocidad insignificante en comparación con la de las partículas $\beta$ emitidas por el radio C.

La aparición de los rayos $\beta$ y $\gamma$ únicamente en los últimos cambios rápidos de los elementos radiactivos es muy notable, y no puede considerarse como una mera coincidencia. La expulsión final de una partícula $\beta$ da como resultado la aparición de un producto de gran estabilidad, o, en el caso del radio, de un producto (el radio D) que posee mucha más estabilidad que el precedente.

Parecería que los cambios iniciales van acompañados de la expulsión de una partícula $\alpha$, y que una vez expulsada la partícula $\beta$, los componentes del átomo residual caen en una disposición de equilibrio bastante estable, donde la velocidad de transformación es muy lenta. Parece probable, por tanto, que la partícula $\beta$, que es finalmente expulsada, pueda considerarse como el agente activo que promueve la desintegración del átomo radiactivo a través de las etapas sucesivas.

Una discusión de esta cuestión se abordará con mayor ventaja más adelante (sección 270), cuando se esté considerando la cuestión general de la estabilidad del átomo.

Es significativo que el cambio en el cual aparecen los tres tipos de rayos sea de un carácter mucho más violento que los cambios precedentes.

No solo las partículas $\alpha$ son expulsadas con mayor velocidad que en cualquier otro cambio, sino que las partículas $\beta$ son proyectadas con una velocidad muy cercana a la de la luz.

Existe siempre la posibilidad de que, en una explosión tan violenta en el átomo, no solo sean expelidas las partículas $\alpha$ y $\beta$, sino que el átomo mismo resulte disrumpido en varios fragmentos.

Si la mayor proporción de la materia resultante de la desintegración es de una sola clase, sería difícil detectar la presencia de una pequeña cantidad de materia de cambio rápido mediante observaciones de la velocidad de desintegración; pero, si los productos tienen un comportamiento electroquímico distintivo, debería lograrse, en algunos casos, una separación parcial por medio de la electrólisis.

Ya se ha señalado que los resultados de Pegram y von Lerch (sección 207) sobre la electrólisis de disoluciones de torio pueden explicarse bajo la suposición de que el torio A y B poseen un comportamiento electroquímico distintivo. Pegram, sin embargo, observó además la presencia de un producto cuya actividad decaía a la mitad en seis minutos. Este producto activo se obtuvo mediante la electrólisis de una disolución de una sal de torio pura, a la cual se le había añadido una pequeña cantidad de nitrato de cobre. El depósito de cobre era ligeramente activo y perdía la mitad de su actividad en aproximadamente seis minutos.

La presencia de tales productos radiactivos, que no entran en el esquema principal de los cambios, indica que, en alguna etapa de la desintegración, se produce más de una sustancia. En la violenta desintegración que ocurre en el radio C y el torio B, cabe esperar un resultado así, pues no es improbable que existan varias disposiciones mediante las cuales los constituyentes del átomo formen un sistema de cierta estabilidad leve.

Los dos productos resultantes de la desintegración estarían probablemente presentes en proporción desigual y, a menos que emitieran diferentes tipos de rayos, sería difícil separarlos el uno del otro.

261. Vida del radio. Dado que los átomos de los radioelementos se desintegran continuamente, también deben considerarse metabolones; la única diferencia entre ellos y metabolones como las emanaciones, el Th X y otros radica en su estabilidad comparativamente gran y, en consecuencia, en su velocidad de cambio muy lenta. No hay evidencia de que el proceso de cambio, descrito anteriormente, sea reversible en las condiciones actuales y, con el paso del tiempo, una cantidad de radio, uranio o torio abandonada a su suerte debe transformarse gradualmente en otros tipos de materia.

Parece no haber escapación de esta conclusión. Consideremos, por ejemplo, el caso del radio. El radio produce continuamente a partir de sí mismo la emanación de radio, siendo la tasa de producción siempre proporcional a la cantidad de radio presente.

Todo el radio debe transformarse en última instancia en emanación, la cual a su vez se transforma a través de una sucesión de etapas en otros tipos de materia. No cabe duda de que la emanación es químicamente muy diferente del radio mismo.

La cantidad de radio debe disminuir para compensar la emanación que se forma; de lo contrario, es necesario asumir que la materia en forma de emanación se crea a partir de alguna fuente desconocida.

Un cálculo aproximado de la velocidad de cambio del radio puede hacerse fácilmente por dos métodos diferentes, según (1) el número de átomos de radio que se desintegran por segundo, y (2) la cantidad de emanación producida por segundo.

Se ha demostrado experimentalmente (sección 93) que 1 gramo de radio con su actividad mínima expulsa 6·2 × 10¹⁰ partículas α por segundo.

El efecto térmico del radio y también su volumen coinciden estrechamente con el cálculo, si se supone que cada átomo de cada producto al desintegrarse emite una partícula α. Bajo esta suposición se observa que 6·2 × 10¹⁰ átomos de radio se desintegran por segundo.

Ahora se ha demostrado experimentalmente (sección 39) que un centímetro cúbico de hidrógeno a presión y temperatura estándar contiene 3·6 × 10¹⁹ moléculas. Tomando el peso atómico del radio como 225, el número de átomos en 1 gramo de radio es igual a 3·6 × 10²¹.

La fracción λ de radio que se desintegra es, por tanto, 1·95 × 10^-11 por segundo, o 5·4 × 10^-4 por año. De ello se deduce que en cada gramo de radio se desintegra aproximadamente medio miligramo por año.

La vida media del radio es de unos 1800 años, y la mitad del radio se transforma en unos 1300 años.

Ahora vamos a considerar el cálculo, basado en el resultado observado por Ramsay y Soddy, de que el volumen de emanación que se obtiene a partir de un gramo de radio es de aproximadamente 1 milímetro cúbico.

La evidencia experimental basada en los resultados de difusión indica que el peso molecular de la emanación es de aproximadamente 100. Si la teoría de la desintegración es correcta, la emanación es un átomo de radio menos una partícula y, por lo tanto, debe tener un peso molecular de al menos 200. Es más probable que este valor alto sea el correcto en lugar del número experimental, el cual se basa en evidencias que necesariamente deben ser algo inciertas.

Ahora bien, la tasa de producción de emanación por segundo es igual a λN₀, donde N₀ es la cantidad de equilibrio. Tomando el peso molecular como 200, el peso de la emanación producida por segundo a partir de 1 gramo de radio = 8·96 × 10^-6λ = 1·9 × 10^-11 gramos.

Ahora bien, el peso de emanación producido por segundo es casi exactamente igual al peso de radio que se desintegra por segundo.

Así pues, la fracción de radio que se desintegra por segundo es de aproximadamente 1·9 × 10^-11, lo cual coincide con el número calculado previamente mediante el primer método.

Podemos concluir así que el radio se transforma a medias en unos 1300 años.

Tomando la actividad del radio puro como unas dos millones de veces la del uranio, y recordando que en el uranio solo se produce un cambio, el cual da lugar a los rayos $\alpha$, y cuatro en el radio, puede calcularse fácilmente que la fracción de uranio que se desintegra por año es de aproximadamente 10^-9. De esto se deduce que el uranio debería haberse transformado a la mitad en unos 6 × 10⁸ años.

Si el torio es un elemento verdaderamente radiactivo, el periodo de semitransformación es de aproximadamente 2,4 × 10⁹ años, ya que el torio tiene casi la misma actividad que el uranio, pero contiene cuatro productos que emiten rayos α. Si la actividad del torio se debe a alguna impureza radiactiva, no se puede hacer ninguna estimación de la duración de su vida hasta que la sustancia activa primaria haya sido aislada y su actividad medida.

262. Origen del radio.

Los cambios en el radio son, por tanto, bastante rápidos, y una masa de radio, si se deja a sí misma, debería haber perdido en el curso de unos pocos miles de años una gran proporción de su radiactividad. Tomando la estimación anterior de la vida del radio, el valor de λ es 5·4 × 10^-4, tomando el año como unidad de tiempo. Una masa de radio dejada a sí misma debería haberse transformado a medias en 1300 años y solo quedaría una millonésima parte después de 26 000 años.

Por lo tanto, suponiendo, a modo de ilustración, que la tierra estuviera compuesta originalmente de radio puro, su actividad por gramo 26 000 años más tarde no sería mayor que la actividad observada hoy en día en un buen espécimen de pecblenda. Incluso suponiendo que esta estimación de la vida del radio sea demasiado pequeña, el tiempo requerido para que el radio desaparezca prácticamente es corto en comparación con la edad probable de la tierra. Nos vemos así obligados a la conclusión de que el radio se produce continuamente en la tierra, a menos que se haga la suposición muy improbable de que el radio se formó repentinamente de algún modo en una fecha reciente en comparación con la edad de la tierra.

Ya Rutherford y Soddy sugirieron¹⁹ en una época temprana que el radio podría ser un producto de desintegración de uno de los radioelementos encontrados en la pechblenda.

Tanto el uranio como el torio cumplen las condiciones requeridas en una posible fuente de producción de radio. Ambos están presentes en la pechblenda, tienen pesos atómicos mayores que el del radio y poseen tasas de cambio lentas en comparación con la del radio.

En algunos aspectos, el uranio cumple las condiciones requeridas mejor que el torio; pues no se ha observado que los minerales ricos en torio contengan mucho radio, mientras que, por otra parte, las pechblendas que contienen más radio contienen una gran proporción de uranio.

Si el radio no se produce a partir del uranio, es sin duda una coincidencia notable que la mayor actividad de la pechblenda observada hasta ahora sea unas cinco o seis veces superior a la del uranio.

Dado que el radio tiene una vida corta en comparación con la del uranio, la cantidad de radio producida debería alcanzar un valor máximo al cabo de unos pocos miles de años, cuando la tasa de producción de radio nuevo —que es también una medida de la tasa de cambio del uranio— equilibre la tasa de cambio de dicho producto. A este respecto, el proceso sería exactamente análogo a la producción de la emanación por parte del radio, con la diferencia de que el radio cambia mucho más lentamente que la emanación.

Pero dado que el radio mismo en su desintegración da lugar a al menos cinco cambios con la correspondiente producción de rayos $\alpha$, la actividad debida al radio (medida por los rayos $\alpha$), cuando se encuentra en un estado de equilibrio radiactivo con el uranio, debería ser unas cinco veces mayor que la del uranio que lo produce; pues se ha demostrado que hasta ahora solo se ha observado un cambio en el uranio en el que se expulsan rayos $\alpha$.

Teniendo en cuenta la presencia de actinio en la pechblenda, la actividad observada en la mejor pechblenda es aproximadamente la que cabría esperar si el radio fuera un producto de desintegración del uranio. Si esta hipótesis es correcta, la cantidad de radio en cualquier pechblenda debería ser proporcional a la cantidad de uranio presente, siempre que el agua de infiltración no elimine el radio del mineral.

Esta cuestión ha sido abordada experimentalmente por Boltwood²⁰, McCoy²¹ y Strutt²².

McCoy midió las actividades relativas de diferentes minerales en forma de polvo mediante un electroscopio, y determinó la cantidad de uranio presente por análisis químico.

Sus resultados indicaron que la actividad observada en los minerales era de manera muy aproximada proporcional a su contenido de uranio. Dado que el actinio está presente además del uranio y sus productos, esto indicaría que la cantidad de radio y actinio tomados en conjunto es proporcional a la cantidad de uranio.

Este problema ha sido abordado de forma más directa por Boltwood y Strutt mediante la medición de la cantidad relativa de la emanación de radio desprendida por diferentes minerales.

Al disolver el mineral y dejarlo reposar en un recipiente cerrado, la cantidad de emanación presente alcanza un valor máximo tras un intervalo de aproximadamente un mes.

A continuación, la emanación se introduce en un recipiente cerrado que contiene un electroscopio de hojas de oro similar al mostrado en la Fig. 12. La velocidad de movimiento de las hojas de oro es proporcional a la cantidad de emanación procedente de la solución, y esta a su vez es proporcional a la cantidad de radio.

Boltwood ha realizado de este modo una comparación muy completa y exacta del contenido de radio de diferentes variedades de pechblenda y otros minerales que contienen radio. Se encontró que muchos de los minerales en estado sólido permitían que una fracción considerable de la emanación escapara al aire.

La fracción porcentual de la cantidad total de emanación perdida de este modo se muestra en la Columna II de la siguiente tabla:

• La Columna I da la cantidad máxima de emanación presente en 1 gramo del mineral en unidades arbitrarias cuando no escapa nada de la emanación;
• la Columna III, el peso en gramos de uranio contenido en 1 gramo;
• y la Columna IV, la razón obtenida al dividir la cantidad de emanación por la cantidad de uranio.

Los números de la Columna IV deberían ser constantes si la cantidad de radio es proporcional a la cantidad de uranio.

Con excepción de algunos de los monacites, los números muestran una concordancia sorprendentemente buena y, teniendo en cuenta la gran variación en el contenido de uranio de los diferentes minerales y la amplia gama de procedencia de las localidades de donde se obtuvieron, los resultados proporcionan una prueba directa y satisfactoria de que la cantidad de radio en los minerales es directamente proporcional a la cantidad de uranio.

A este respecto, es de interés señalar que Boltwood halló que existía una cantidad considerable de radio en varias variedades de monacita, a pesar de que la mayoría de los análisis previos coincidían en afirmar que no había presencia de uranio.

En consecuencia, se realizó un examen minucioso para comprobar este extremo, y se descubrió mediante métodos especiales que el uranio sí estaba presente, y aproximadamente en la cantidad esperable según la teoría. Los métodos ordinarios de análisis no arrojaron resultados correctos debido a la presencia de fosfatos.

Resultados de carácter similar han sido dados a conocer recientemente por Strutt²³.

El peso de radio en un mineral por gramo de uranio es, por lo tanto, una constante definida de considerable importancia práctica. Su valor fue determinado recientemente por Boltwood mediante la comparación de la emanación, liberada a partir de un peso conocido de uraninita, con aquella liberada a partir de una cantidad conocida de bromuro de radio puro, suministrado para tal fin por el autor.

Se tomó un peso medido de bromuro de radio de un lote que desprendía calor a una velocidad ligeramente superior a 100 calorías gramo por hora por gramo, y que, por lo tanto, probablemente era puro. Este se disolvió en agua y, mediante diluciones sucesivas, se preparó una solución estándar que contenía 10⁻⁷ gramos de bromuro de radio por c.c.

Tomando la constitución del bromuro de radio como RaBr₂, se dedujo que el peso de radio por gramo de uranio en cualquier mineral era de 8,0 × 10⁻⁷ gramos. La cantidad de radio en un mineral por tonelada de uranio es, por consiguiente, de 0,72 gramos.

Strutt (loc. cit.) obtuvo un valor casi dos veces mayor, pero no disponía de ningún medio para comprobar la pureza de su bromuro de radio.

Esta cantidad de radio por gramo de uranio es del orden de magnitud adecuado que cabe esperar según la teoría de la desintegración, si el uranio es el progenitor del radio. La actividad del radio puro, comparada con la del uranio, no se conoce con la precisión suficiente para determinar con exactitud la proporción teórica de radio respecto al uranio.

La producción de radio a partir de uranio, aunque está muy fuertemente respaldada por estos experimentos, no puede considerarse definitivamente establecida hasta que se obtenga evidencia experimental directa del crecimiento de radio en el uranio.

La tasa de producción de radio que cabe esperar según la teoría de la desintegración puede estimarse fácilmente. La fracción de uranio que se desintegra por año ha sido calculada (sección 261) y se ha demostrado que es de aproximadamente 10^-9 por año.

Este número representa el peso de radio producido por año a partir de 1 gramo de uranio. La emanación, liberada de la cantidad de radio producida en un año a partir de 1 gramo de uranio, haría que un electroscopio ordinario de hojas de oro se descargara en aproximadamente media hora. Si se utiliza un kilogramo de uranio, la cantidad de radio producida en un solo día debería ser fácilmente detectable.

Varios observadores han realizado experimentos para detectar el crecimiento de radio en el uranio. Soddy²⁴ examinó la cantidad de emanación emitida en diferentes momentos por un kilogramo de nitrato de uranio en solución, al cual se le había eliminado previamente el pequeño rastro de radio presente mediante un proceso químico adecuado. La solución se mantuvo almacenada en un recipiente cerrado, y la cantidad de emanación acumulada en la solución se midió a intervalos regulares.

Los experimentos preliminares demostraron que la velocidad real de producción de radio era muy inferior a la cantidad que cabría esperar teóricamente, y al principio se obtuvieron muy pocos indicios de que se produjera radio en absoluto.

Tras dejar reposar el uranio durante dieciocho meses, Soddy afirma que la cantidad de emanación era claramente mayor que al principio. La solución tras este intervalo contenía alrededor de 1,5 × 10^-9 gramos de radio.

Esto da un valor de aproximadamente 2 × 10^-12 para la fracción de uranio que se desintegra por año, mientras que el valor teórico es de alrededor de 10^-9.

Whetham²⁵ también descubrió que una cantidad de nitrato de uranio que se había reservado durante un año mostraba un aumento apreciable en el contenido de radio, y considera que la tasa de producción es más rápida que la encontrada por Soddy. En su caso, el uranio no se había liberado originalmente por completo del radio.

Serán necesarias observaciones que abarquen años antes de que la cuestión pueda considerarse resuelta, pues la estimación precisa de pequeñas cantidades de radio mediante la cantidad de emanación está plagada de dificultades. Este es especialmente el caso cuando las observaciones se realizan a lo largo de amplios intervalos de tiempo.

El autor ha realizado un examen para ver si el radio es producido a partir del actinio o del torio. Se pensaba que era posible que el actinio resultara ser un producto intermedio entre el uranio y el radio. Las soluciones, libres de radio, se han reservado durante un año, pero no se ha observado ningún aumento seguro en el contenido de radio.

No cabe duda de que la producción de radio a partir del uranio procede al principio a una pequeña fracción de la tasa esperable según la teoría.

Esto no es sorprendente si consideramos que probablemente se interponen varios cambios entre el producto Ur X y el radio. En el caso del radio, por ejemplo, se ha demostrado que una serie de cambios lentos siguen a los cambios rápidos que se observan habitualmente.

Debido a la débil actividad del uranio, no sería fácil detectar directamente la ocurrencia de tales cambios. Si, por ejemplo, ocurriese uno o más productos sin rayos entre el Ur X y el radio, que fueran eliminados del uranio por el mismo proceso químico utilizado para liberarlo del radio, la tasa de producción de radio sería muy pequeña al principio, pero cabría esperar que aumentara con el tiempo a medida que se acumularan más productos intermediarios en el uranio.

El hecho de que los contenidos de uranio y radio en los minerales radiactivos sean siempre proporcionales entre sí, junto con la evidencia experimental definitiva de que el radio se produce a partir del uranio, ofrece una prueba casi concluyente de que el uranio es, de algún modo, el progenitor del radio.

La evidencia general que se ha presentado para demostrar que el radio debe ser producido continuamente a partir de alguna otra sustancia se aplica también al actinio, el cual tiene una actividad del mismo orden de magnitud que la del radio. La presencia de actinio junto con el radio en la pecblenda indicaría que esta sustancia también deriva de algún modo del uranio.

Es posible que el actinio resulte ser producido a partir del radio o ser la sustancia intermediaria entre el uranio y el radio. Si pudiera demostrarse que la cantidad de actinio en los minerales radiactivos es, al igual que el radio, proporcional a la cantidad de uranio, esto proporcionaría una prueba indirecta de dicha conexión. No es tan sencillo resolver este punto para el actinio como para el radio, ya que el actinio emite una emanación de vida muy corta, y los métodos adoptados para determinar el contenido de radio en los minerales no pueden aplicarse sin modificaciones considerables para determinar la cantidad de actinio presente.

Los datos experimentales obtenidos hasta ahora no arrojan mucha luz sobre el origen de la materia activa primaria en el torio.

Hofmann y otros (sección 23) han demostrado que el torio separado de minerales que contienen uranio es siempre tanto más activo cuanto mayor es la cantidad de uranio presente. Esto indicaría que la sustancia activa en el torio también puede derivar del uranio.

Aunque aún queda mucho trabajo por hacer, ya se ha logrado un comienzo prometedor al determinar el origen y la relación de los elementos radioactivos. Hemos visto que ya se ha establecido la conexión entre el polonio, el radiotelurio y el radio plomo con el radio. El propio radio se añade ahora a la lista, y es probable que el actinio le siga pronto.

Si bien los experimentos muestran indicios indudables de que existe una relación definida entre la cantidad de uranio y de radio presente en los minerales radiactivos ordinarios, Danne²⁶ ha llamado recientemente la atención sobre una excepción aparente muy interesante.

Se encontraron cantidades considerables de radio en ciertos yacimientos de los alrededores de Issy-l’Evêque, en el distrito de Saona y Loira, a pesar de no estar presente ni rastro de uranio. La materia activa se halla en la piromorfita (fosfato de plomo), en arcillas que contienen plomo y en pegmatita, pero el radio suele encontrarse en mayores cantidades en la primera.

La piromorfita se encuentra en vetas de rocas de cuarzo y feldespato. Las vetas están siempre húmedas debido a la presencia de varios manantiales en las inmediaciones. El contenido de uranio en la piromorfita varía considerablemente, pero Danne considera que hay presente alrededor de un centigramo de radio por tonelada.

Parece probable que el radio hallado en esta localidad se haya depositado a partir de agua que fluye a través de ella, posiblemente en épocas pasadas. La presencia de radio no es sorprendente, ya que se han encontrado cristales de autunita a unas 40 millas de distancia, y probablemente existan yacimientos que contienen uranio en esa región. Este resultado es de interés, ya que sugiere que el radio puede ser arrastrado por el agua y depositado mediante acción física o química a cierta distancia.

En el capítulo siguiente se demostrará que el radio se encuentra muy ampliamente distribuido por la superficie de la tierra, pero por lo general en cantidades muy pequeñas.

263. ¿Depende la radiactividad del radio de su concentración?

Hemos visto que la constante radiactiva $\lambda$ de cualquier producto es independiente de la concentración de dicho producto. Este resultado se ha comprobado en un intervalo muy amplio para algunas sustancias, y especialmente para la emanación del radio. No se ha observado ninguna diferencia segura en la velocidad de desintegración de la emanación, aunque la cantidad presente en la unidad de volumen de aire se haya variado en un factor de un millón.

J. J. Thomson²⁷ ha sugerido que la velocidad de desintegración del radio puede verse influenciada por sus propias radiaciones.

Esto, a primera vista, parece muy probable, ya que una pequeña masa de un compuesto puro de radio está sometida a un intenso bombardeo por parte de las radiaciones que este mismo emite, y dichas radiaciones tienen una naturaleza tal que cabría esperar que produjeran la ruptura de los átomos de la materia queatraviesan.

Si este fuera el caso, la radiactividad de una cantidad dada de radio debería ser una función de su concentración, y debería ser mayor en estado sólido que cuando se encuentra diseminada a través de una gran masa de materia.

El escritor ha hecho un experimento para examinar esta cuestión.

Se tomaron dos tubos de vidrio, en uno de los cuales se colocaron unos pocos miligramos de bromuro de radio puro en estado de equilibrio radiactivo, y en el otro, una solución de cloruro de bario. Los dos tubos se conectaron cerca de la parte superior mediante un tubo transversal corto y los extremos abiertos se sellaron.

La actividad del radio en estado sólido se probó inmediatamente después de su introducción colocándolo en una posición determinada cerca de un electroscopio hecho de metal delgado del tipo mostrado en la Fig. 12.

Se observó la mayor velocidad de descarga del electroscopio debida a los rayos $\beta$ y $\gamma$ del radio.

Cuando se colocó una placa de plomo de 6 mm de espesor entre el radio y el electroscopio, la velocidad de descarga observada se debió únicamente a los rayos $\gamma$.

Al inclinar levemente el aparato, la solución de bario fluyó hacia el tubo de radio y disolvió el radio. El tubo se agitó bien, de modo que el radio se distribuyera uniformemente por toda la solución.

No se observó ningún cambio apreciable en la actividad medida por los rayos $\gamma$ durante un período de un mes. La actividad medida por los rayos $\beta$ y $\gamma$ se redujo algo, pero esto no se debió a una disminución de la radiactividad, sino a una mayor absorción de los rayos $\beta$ en su paso a través de la solución.

El volumen de la solución era al menos 1000 veces mayor que el del bromuro de radio sólido y, en consecuencia, el radio quedó sometido a la acción de una radiación mucho más débil.

Creo que podemos concluir de este experimento que las radiaciones emitidas por el radio tienen poca o ninguna influencia en causar la desintegración de los átomos de radio.

Voller²⁸ recientemente publicó unos experimentos que parecían demostrar que la vida del radio variaba enormemente con su concentración.

En sus experimentos, se evaporaron soluciones de bromuro de radio de concentraciones conocidas en un recipiente de platino de 1,2 cm² de área, y su actividad se evaluó de vez en cuando.

La actividad del radio así depositado mostró al principio el aumento normal cabía esperar debido a la producción de la emanación, pero tras alcanzar un máximo, decayó rápidamente.

Para un peso de 10^-6 mg de bromuro de radio, la actividad, por ejemplo, desapareció prácticamente en 26 días tras alcanzar su máximo. El tiempo necesario para que la actividad desapareciera aumentó rápidamente con la cantidad de radio presente.

En otra serie de experimentos, afirma que la actividad observada en el recipiente no era proporcional a la cantidad de radio presente. Por ejemplo, la actividad solo aumentó 24 veces para un incremento de un millón de veces en el radio presente, desde 10^-9 mg hasta 10^-3 mg.

Estos resultados, sin embargo, no han sido confirmados por experimentos posteriores realizados por Eve. Él halló que, en el intervalo examinado, la actividad era directamente proporcional a la cantidad de radio presente, dentro de los límites del error experimental.

La siguiente tabla ilustra los resultados obtenidos. El radio se evaporó en recipientes de platino de 4,9 cm² de superficie.

Para un aumento de mil veces en la cantidad de radio, la actividad aumentó 800 veces, mientras que Voller afirma que la actividad, en sus experimentos, solo aumentó de 3 a 4 veces.

En los experimentos de Eve, la actividad se midió observando el aumento en la velocidad de descarga de un electroscopio de hojas de oro cuando el recipiente de platino que contenía el depósito activo se colocaba dentro del electroscopio.

La actividad de 10^-8 mgrs. era demasiado pequeña para ser medida con precisión en el electroscopio empleado, mientras que 10^-3 mgrs. producían una velocidad de descarga demasiado rápida.

Por otro lado, el método de medición empleado por Voller no era adecuado para la medición de una radioactividad muy débil.

Eve también descubrió que una pequeña cantidad de radio guardado en un recipiente cerrado no perdía su actividad con el tiempo. Un recipiente de vidrio plateado contenía un sistema de hojas de oro, tal como se muestra en la Fig. 12. Una solución que contenía ${10}^{-6}\text{ mg}$ de bromuro de radio se evaporó sobre el fondo del recipiente, de un área de $76{\text{ cm}}^2$. La actividad, tras alcanzar un máximo, ha permanecido constante durante los 100 días en que se han realizado observaciones hasta el momento.

Estos experimentos de Eve, hasta donde alcanzan, muestran que la actividad del radio es proporcional a la cantidad de radio presente, y que el radio, guardado en un recipiente cerrado, no muestra signos de disminuir su actividad.

Por otra parte, creo que no cabe duda de que una cantidad muy pequeña de radio depositada en una placa y dejada al aire libre pierde su actividad con bastante rapidez. Esta pérdida de actividad no tiene absolutamente nada que ver con la corta vida del radio en sí, sino que se debe al escape del radio de la placa hacia el gas circundante.

Supongamos, por ejemplo, que una solución que contiene ${10}^{-9}\text{ mg}$ de bromuro de radio se evapora en un recipiente de un centímetro cuadrado de área. Esta cantidad de radio es demasiado pequeña para formar siquiera una capa de espesor molecular. Parece probable que, durante el proceso de evaporación, el radio tienda a acumularse en pequeñas masas y a depositarse en la superficie del recipiente. Estas se eliminarían muy fácilmente mediante corrientes lentas de aire y escaparían así de la placa.

La desaparición de cantidades tan minúsculas de radio es de esperar, y probablemente ocurriría con todo tipo de materia presente en cantidades tan reducidas. Dicho efecto no tiene nada que ver con una alteración de la vida del radio y no debe confundirse con ella.

El resultado de que la radiación total de una cantidad dada de radio depende únicamente de la cantidad de radio y no del grado de su concentración es de gran importancia, pues nos permite determinar con exactitud el contenido de radio en minerales y en suelos en los que el radio existe en un estado muy difuso.

264. Constancia de las radiaciones.

Las primeras observaciones sobre el uranio y el torio habían demostrado que su radiactividad permanecía constante durante el período de varios años en el que fueron examinadas. La posibilidad de separar del uranio y del torio los productos activos Ur X y Th X respectivamente, cuya actividad decayó con el tiempo, pareció a primera vista contradecir esto. Observaciones posteriores, sin embargo, demostraron que la radiactividad total de estos cuerpos no se alteraba por los procesos químicos, ya que se encontró que el uranio y el torio de los cuales se habían eliminado los productos activos recuperaban espontáneamente su radiactividad.

En cualquier momento posterior a la eliminación del producto activo, la suma total de la radiactividad del producto separado junto con la de la sustancia de la cual ha sido separado es siempre igual a la del compuesto original antes de la separación. En los casos en que los productos activos, como el Ur X y la emanación del radio, decaen con el tiempo según una ley exponencial, esto se deduce inmediatamente de los resultados experimentales. Si I₁ es la actividad del producto en cualquier momento t posterior a la separación, y I₀ el valor inicial, sabemos que

Al mismo tiempo, la actividad I₂ recuperada durante el mismo intervalo t viene dada por

donde λ es la misma constante que antes. De ello se deduce, por tanto, que I₁ + I₂ = I₀, lo que es una expresión del resultado anterior. Lo mismo ocurre también cualquiera que sea la ley de decaimiento de la actividad del producto separado (véase la sección 200). Por ejemplo, la actividad del Th X tras su separación del torio aumenta al principio con el tiempo. Al mismo tiempo, la actividad del compuesto de torio residual disminuye al principio, y a tal velocidad que la suma de las actividades del torio y de su producto separado es siempre igual a la del torio original.

Esta aparente constancia de la radiación total se deriva del resultado general de que los procesos radiactivos no pueden ser alterados de ningún modo por la acción de fuerzas conocidas.

Cabe recordar que la constante de desintegración de la actividad de un producto radiactivo posee un valor fijo y determinado bajo todas las condiciones. Es independiente de la concentración de la materia activa, de la presión y de la naturaleza del gas en el que la sustancia está colocada, y no se ve afectada por amplios márgenes de temperatura.

La única excepción observada es el producto radio C. Su valor de $\lambda$ aumenta con la temperatura en cierta medida a unos 1000 °C, pero a 1200 °C vuelve casi a su valor normal.

Del mismo modo, no se ha considerado posible alterar la tasa de producción de materia activa a partir de los elementos radiactivos. Además, no existe ni un solo caso bien autenticado en el que la radiactividad haya sido alterada o destruida en algún cuerpo activo, ni creada en un elemento inactivo.

Se han observado ciertos casos que a primera vista parecen indicar una destrucción de la radiactividad. Por ejemplo, la radiactividad inducida se elimina de un hilo de platino al calentarlo por encima del rojo vivo. Sin embargo, la señorita Gates ha demostrado (sección 187) que la radiactividad no se destruye, sino que se deposita en una cantidad inalterada sobre los cuerpos más fríos que lo rodean.

Se ha demostrado que el óxido de torio pierde en gran medida su capacidad de emanación al ser incandescente hasta el blanco. Pero un examen detallado muestra que la emanación sigue produciéndose a la misma velocidad, pero queda ocluida en el compuesto.

La radioactividad total de una masa dada de un radioelemento, medida por las radiaciones peculiares emitidas, es una cantidad que no puede ser ni aumentada ni disminuida, aunque puede manifestarse en una serie de productos que son capaces de separarse del radioelemento.

El término «conservación de la radioactividad» es, por tanto, una expresión conveniente de los hechos conocidos en la actualidad.

Es muy posible, sin embargo, que futuros experimentos a temperaturas muy altas o muy bajas demuestren que la radioactividad sí varía.

Aunque no se ha observado ninguna diferencia en la radiactividad del uranio en un intervalo de cinco años, se ha demostrado (sección 261) que, por razones teóricas, la radiactividad de una cantidad dada de un elemento radiactivo debería disminuir con el tiempo.

El cambio será, sin embargo, tan lento en el uranio que probablemente deban transcurrir millones de años antes de que pueda producirse un cambio mensurable; por otra parte, aunque la radiactividad total de una cantidad dada de materia dejada a sí misma debería disminuir de este modo, esta debería ser constante para una masa constante del elemento radiactivo.

Ya se ha señalado (sección 238) que la actividad del radio, medida por los rayos $\alpha$ y $\beta$, probablemente aumentará durante varios cientos de años después de su separación. Esto se debe a la aparición de productos nuevos en el radio. A la larga, sin embargo, la actividad debe disminuir de acuerdo con una ley exponencial con el tiempo, reduciéndose a la mitad en unos 1300 años.

La conservación de la radiactividad se aplica no solo a las radiaciones consideradas en su conjunto, sino también a cada tipo específico de radiación.

Si se extrae la emanación de un compuesto de radio, la cantidad de radiación $\beta$ del radio comienza a disminuir de inmediato, pero esto se ve compensado por la aparición de rayos $\beta$ en las radiaciones del recipiente en el que se almacena la emanación separada.

En cualquier momento, la suma total de las radiaciones $\beta$ del radio y del recipiente de la emanación es siempre la misma que la del compuesto de radio antes de que se extrajera la emanación.

Resultados similares también se ha encontrado que son válidos para los rayos $\gamma$.

Esto fue comprobado por el autor de la siguiente manera. La emanación de un poco de bromuro de radio sólido se liberó mediante calor y se condensó en un pequeño tubo de vidrio que luego se selló.

El radio así tratado, y el tubo de emanación, se colocaron juntos bajo un electroscopio, con una pantalla de plomo de 1 cm de espesor interpuesta para dejar pasar únicamente los rayos $\gamma$. Los experimentos continuaron durante tres semanas, pero la suma total de los rayos $\gamma$ provenientes del radio y del tubo de emanación fue, durante todo el intervalo, igual a la del radio original.

Durante este período, la cantidad de rayos $\gamma$ provenientes del radio disminuyó primero a solo unos pocos por ciento del valor original, y luego volvió a aumentar lentamente, hasta que al final de las tres semanas casi había recuperado su valor original, antes de que se retirara la emanación. Al mismo tiempo, la cantidad de rayos $\gamma$ provenientes del tubo de emanación aumentó desde cero hasta un máximo y luego volvió a disminuir lentamente a la misma velocidad que el decaimiento de la actividad de la emanación en el tubo.

Este resultado muestra que la cantidad de rayos $\gamma$ provenientes del radio fue una cantidad constante durante el intervalo de observación, aunque la cantidad de rayos $\gamma$ provenientes del radio y del tubo de emanación había pasado por un ciclo de cambios.

Hay en esta conexión una posibilidad interesante que debe tenerse presente. Los rayos de las sustancias activas transportan energía en una forma muy concentrada, y esta energía se disipa mediante la absorción de los rayos en la materia. Cabría esperar que los rayos provocasen una desintegración de los átomos de la materia inactiva sobre la que inciden y diesen lugar así a una especie de radiactividad. Varios observadores han buscado este efecto.

Ramsay y W. T. Cooke²⁹ afirman haber observado tal acción, utilizando alrededor de un decigramo de radio como fuente de radiación. El radio, sellado en un recipiente de vidrio, fue rodeado por un tubo de vidrio externo y expuesto a la acción de los rayos $\beta$ y $\gamma$ del radio durante varias semanas. Se encontró que el interior y el exterior del tubo de vidrio estaban activos, y la materia activa se eliminó mediante disolución en agua. La radiactividad observada fue muy minúscula, correspondiente a solo alrededor de 1 miligramo de uranio. El autor ha realizado, en diversas ocasiones, experimentos de este tipo, pero con resultados negativos.

Es necesario el mayor cuidado en tales experimentos para asegurar que la radiactividad no se deba a otras causas además de los rayos del radio. Este cuidado es especialmente necesario en laboratorios donde se ha permitido que cantidades considerables de la emanación de radio escapen al aire.

La superficie de cada sustancia se recubre con los productos de transformación lenta del radio, a saber, radio D, E y efe. La actividad comunicada de este modo a materia originalmente inactiva es a menudo considerable. Esta infección por la emanación de radio se extiende por todo el laboratorio, debido a la distribución de la emanación por convección y difusión.

Por ejemplo, Eve³⁰ halló que cada sustancia que examinó en el laboratorio del autor mostraba una actividad mucho mayor que la normal. En este caso, el radio había estado en uso en el edificio durante unos dos años.

265. Pérdida de peso de los radioelementos.

Dado que los radioelementos emiten continuamente partículas $\alpha$ de tamaño atómico, una sustancia activa, encerrada en un recipiente lo suficientemente delgado como para permitir que las partículas $\alpha$ escapen, debe perder peso gradualmente. Esta pérdida de peso será pequeña en condiciones ordinarias, ya que la mayor proporción de los rayos $\alpha$ producidos son absorbidos en la masa de la sustancia. Si se extendiera una capa muy delgada de un compuesto de radio sobre una lámina de sustancia muy fina, que no absorba apreciablemente las partículas $\alpha$, podría ser detectable una pérdida de peso debida a la expulsión de partículas $\alpha$.

Dado que e/m = 6 × 10³ para la partícula $\alpha$ y e = 1,1 × 10^-20 unidades electromagnéticas y se expulsan 2,5 × 10¹¹ partículas $\alpha$ por segundo por gramo de radio, la proporción de la masa expulsada es de 4,8 × 10^-13 por segundo y 10^-5 por año.

Hay una condición, sin embargo, bajo la cual el radio debería perder peso con bastante rapidez. Si se hace pasar lentamente una corriente de aire sobre una disolución de radio, la emanación producida se eliminaría tan rápido como se forma. Dado que el átomo de la emanación tiene una masa probablemente no mucho menor que el átomo de radio, la fracción de la masa eliminada por año debería ser casi igual a la fracción de radio que cambia por año, es decir, un gramo de radio debería disminuir en peso aproximadamente medio miligramo (sección 261) por año.

Si se supone que las partículas β tienen peso, la pérdida de peso debida a su expulsión es muy pequeña en comparación con la debida a la emisión de partículas α. El autor ha demostrado (sección 253) que se proyectan alrededor de 7 × 10¹⁰ partículas β por segundo desde 1 gramo de radio. La consiguiente pérdida de peso sería únicamente de aproximadamente 10^-9 gramos por año.

Excepto bajo condiciones experimentales muy especiales, sería por lo tanto difícil detectar la pérdida de peso del radio debido a la expulsión de partículas $\beta$ de su masa.

Existe, sin embargo, la posibilidad de que el radio pudiera cambiar de peso aun cuando no se permitiera el escape de ninguno de los productos radiactivos. Por ejemplo, si se adopta el punto de vista de que la gravitación es el resultado de fuerzas que tienen su origen en el átomo, es posible que, si el átomo fuera desintegrado, el peso de las partes pudiera no ser igual al del átomo original.

Se han realizado un gran número de experimentos para ver si las preparaciones de radio, guardadas en un tubo sellado, alteran su peso. Con las pequeñas cantidades de radio disponibles para el experimentador, aún no se ha establecido con certeza ninguna diferencia en el peso de las preparaciones de radio con el tiempo.

Heydweiller afirmó haber observado una pérdida de peso en el radio y Dorn también obtuvo un ligero indicio de cambio de peso. Estos resultados, sin embargo, no han sido confirmados. Forch, más tarde, no pudo observar ningún cambio apreciable.

J. J. Thomson³¹ ha realizado experimentos para ver si la relación entre el peso y la masa del radio es la misma que para la materia inactiva. Hemos visto en la sección 48 que una carga en movimiento posee una masa aparente que es constante para velocidades bajas, pero que aumenta a medida que se acerca la velocidad de la luz.

Ahora bien, el radio emite algunos electrones a una velocidad comparable con la velocidad de la luz y, presuntamente, estos electrones se encontraban en rápido movimiento en el átomo antes de su expulsión. Por lo tanto, cabría la posibilidad de que la relación para el radio difiriera de la de la materia ordinaria.

Se utilizó el método del péndulo, y el radio se encerró en un tubo pequeño y ligero suspendido por una fibra de seda. Dentro del límite de error experimental, se encontró que la relación entre el peso y la masa era la misma que para la materia ordinaria, por lo que podemos concluir que el número de electrones que se mueven con una velocidad próxima a la de la luz es pequeño en comparación con el número total presente.

266. Emisión total de energía del elemento radiactivo.

Se ha demostrado que 1 gramo de radio emite energía a razón de 100 gramos-calorías por hora u 876 000 gramos-calorías por año. Si se aísla 1 gramo de radio en equilibrio radiactivo, su radiactividad y la consiguiente emisión de calor vienen dadas en un tiempo t por

donde λ es la constante de desintegración de la actividad del radio y del efecto térmico inicial; la emisión total de calor de 1 gramo de radio viene dada por

Ahora bien, según la estimación de la vida del radio dada en la sección 261, el valor de λ es ¹⁄₁₈₅₀ cuando se toma 1 año como unidad de tiempo.

La emisión total de calor de 1 gramo de radio durante su vida es, por tanto, de 1,6 × 10⁹ gramos-calorías. El calor emitido en la unión del hidrógeno y el oxígeno para formar 1 gramo de agua es de aproximadamente 4 × 10³ gramos-calorías, y en esta reacción se desprende más calor para pesos iguales que en cualquier otra reacción química conocida.

Se ve así que la energía total emitida por 1 gramo de radio durante sus cambios es aproximadamente un millón de veces mayor que en cualquier cambio molecular conocido. Que la materia sea capaz, en condiciones especiales, de emitir una cantidad enorme de energía, queda bien ejemplificado por el caso de la emanación del radio. Los cálculos de la cantidad de esta energía ya se han dado en la sección 249.

Puesto que los demás elementos radiactivos solo se diferencian del radio en la lentitud de su cambio, la emisión total de calor del uranio y del torio debe ser de un orden de magnitud igualmente elevado.

Existen, por tanto, razones para creer que hay una reserva enorme de energía latente residente en los átomos de los elementos radiactivos. Esta reserva de energía no se habría podido reconocer si los átomos no hubiesen estado experimentando un lento proceso de desintegración.

La energía emitida en los cambios radiactivos proviene de la energía interna de los átomos. La emisión de esta energía no desobedece la ley de la conservación de la energía, pues solo es necesario suponer que, cuando los cambios radiactivos han cesado, la energía acumulada en los átomos de los productos finales es menor que la de los átomos originales de los elementos radiactivos.

La diferencia entre la energía que poseía originalmente la materia que ha sufrido el cambio y los productos inactivos finales que surgen es una medida de la cantidad total de energía liberada.

Parece haber sobradas razones para suponer que la energía atómica de todos los elementos es de un orden de magnitud igualmente elevado.

Con excepción de sus elevados pesos atómicos, los elementos radiactivos no poseen ninguna característica química especial que los diferencie de los elementos inactivos.

La existencia de una reserva latente de energía en los átomos es una consecuencia necesaria de la concepción moderna, desarrollada por J. J. Thomson, Larmor y Lorentz, de considerar al átomo como una estructura complicada que consta de partes cargadas en rápido movimiento oscilatorio o en órbita unas respecto de otras.

La energía puede ser en parte cinética y en parte potencial, pero la mera concentración de las partículas cargadas, que probablemente constituyen el átomo, implica en sí misma una gran reserva de energía en el átomo, en comparación con la cual la energía emitida durante los cambios del radio es insignificante.

La existencia de esta reserva de energía latente no se manifiesta ordinariamente, ya que los átomos no pueden descomponerse en formas más simples mediante los agentes físicos o químicos de que disponemos.

Su existencia explica de inmediato la incapacidad de la química para transformar los átomos, y también da cuenta de que la velocidad de cambio de los procesos radiactivos sea independiente de todos los agentes externos. Hasta ahora no ha sido posible alterar de ningún modo la velocidad de emisión de energía de los radioelementos.

Si alguna vez llegara a ser posible controlar a voluntad la velocidad de desintegración de los radioelementos, se podría obtener una cantidad enorme de energía a partir de una pequeña cantidad de materia.

267. Producción de helio a partir del radio y la emanación del radio. Puesto que los productos finales, resultantes de la desintegración de los elementos radiactivos, no son radiactivos, deberían acumularse en cierta cantidad en el transcurso de las eras geológicas y encontrarse siempre asociados con los elementos radiactivos. Ahora bien, los productos inactivos resultantes de los cambios radiactivos son las partículas $\alpha$ expulsadas en cada etapa y el producto o productos finales inactivos que permanecen cuando el proceso de desintegración ya no puede rastrearse mediante la propiedad de la radiactividad.

La pecblenda, en la que se encuentran principalmente los radioelementos, contiene en pequeña cantidad una gran proporción de todos los elementos conocidos.

En la búsqueda de un posible producto de desintegración común a todos los radioelementos, es notable la presencia de helio en los minerales radiactivos; pues el helio solo se encuentra en los minerales radiactivos y es un compañero invariable de los radioelementos.

Además, la presencia en los minerales de un gas ligero e inerte como el helio siempre había sido motivo de sorpresa. La producción por parte del radio y del torio de las emanaciones radiactivas, que se comportan como gases químicamente inertes de la familia del helio-argón, sugirió la posibilidad de que uno de los productos inactivos finales de la desintegración de los radioelementos pudiera resultar ser un gas químicamente inerte.

El posterior descubrimiento de la naturaleza material de los rayos $\alpha$ dio más peso a dicha sugerencia; pues la medición de la relación $e/m$ de la partícula $\alpha$ indicaba que, si esta consistía en algún tipo conocido de materia, debía ser hidrógeno o helio.

Por estas razones, Rutherford y Soddy sugirieron en 1902³² que el helio podría ser un producto de la desintegración de los radioelementos.

Sir William Ramsay y el Sr. Soddy emprendieron en 1903 una investigación sobre la emanación del radio, con el propósito de ver si era posible obtener alguna evidencia espectroscópica de la presencia de una nueva sustancia.

En primer lugar, sometieron la emanación a un tratamiento muy drástico (sección 158), y confirmaron y ampliaron los resultados previamente observados por Rutherford y Soddy de que la emanación se comportaba como un gas químicamente inerte y que, a este respecto, poseía propiedades análogas a las de los gases del grupo helio-argón.

Al obtener 30 miligramos de bromuro de radio puro (preparado unos tres meses antes), Ramsay y Soddy³³ examinaron en busca de helio los gases liberados por la disolución del bromuro de radio en agua.

La disolución desprendió una cantidad considerable de hidrógeno y oxígeno (véase la sección 124). El hidrógeno y el oxígeno se eliminaron haciendo pasar los gases liberados a través de una espiral, al rojo vivo, de alambre de cobre parcialmente oxidado, y el vapor de agua resultante se absorbió en un tubo con pentóxido de fósforo.

El gas se pasó entonces a un pequeño tubo de vacío que estaba conectado con un pequeño tubo en U. Al colocar el tubo en U en aire líquido, se condensó la mayor parte de la emanación presente y también la mayor parte del CO₂ presente en el gas. Al examinar el espectro del gas en el tubo de vacío, se observó la línea característica D₃ del helio.

Este experimento se repitió con 30 miligramos de bromuro de radio de unos cuatro meses de antigüedad, prestados para tal fin por el autor.

La emanación y el CO₂ se eliminaron haciéndolos pasar a través de un tubo en U sumergido en aire líquido. Se observó un espectro de helio prácticamente completo, incluidas las líneas de longitudes de onda 6677, 5876, 5016, 4972, 4713 y 4472. También estaban presentes otras tres líneas de longitudes de onda de aproximadamente 6180, 5695 y 5455 que aún no han sido identificadas.

En experimentos posteriores, la emanación de 50 miligramos del bromuro de radio fue transportada con oxígeno a un pequeño tubo en U, enfriado en aire líquido, en el cual se condensó la emanación. Se añadió oxígeno fresco y el tubo en U se volvió a vaciar mediante bomba. El pequeño tubo de vacío, conectado al tubo en U, no mostró al principio ninguna línea de helio cuando se retiró el aire líquido. El espectro obtenido era nuevo, y Ramsay y Soddy consideraron que probablemente era el de la emanación misma. Después de dejar reposar el tubo de emanación durante cuatro días, apareció el espectro de helio con todas las líneas características y, además, tres nuevas líneas presentes en el helio obtenido por disolución del radio. Estos resultados han sido confirmados desde entonces.

Los experimentos, que han conducido a resultados tan sorprendentes e importantes, no fueron en absoluto fáciles de realizar, ya que la cantidad de helio y de emanación liberada a partir de 50 mg de bromuro de radio es extremadamente pequeña.

Fue necesario, en todos los casos, eliminar casi por completo los otros gases, que se encontraban presentes en cantidad suficiente como para enmascarar el espectro de la sustancia bajo estudio.

El éxito de los experimentos se ha debido en gran medida a la aplicación, en esta investigación, de los refinados métodos de análisis de gases empleados previamente por Sir William Ramsay con tanta destreza en la separación de los gases raros xenón y criptón, los cuales existen en proporciones diminutas en la atmósfera.

El hecho de que el espectro del helio no estuviera presente al principio, sino que apareciera después de que la emanación hubiera permanecido en el tubo durante unos días, muestra que el helio debe haberse producido a partir de la emanación. La emanación no puede ser helio en sí misma, ya que, en primer lugar, el helio no es radiactivo y, en segundo lugar, el espectro del helio no estaba presente al principio, cuando la cantidad de emanación en el tubo estaba en su máximo.

Además, los experimentos de difusión, ya analizados, apuntan a la conclusión de que la emanación es de elevado peso molecular. No puede caber duda, por tanto, de que el helio se deriva de la emanación del radio como consecuencia de cambios de algún tipo que ocurren en ella.

Estos resultados fueron confirmados más tarde por otros observadores. Curie y Dewar³⁴ realizaron el siguiente experimento: un peso de aproximadamente 0,42 g de bromuro de radio se colocó en un tubo de cuarzo, y el tubo se vació hasta que dejó de desprenderse gas. A continuación, se calentó el radio hasta su fusión, liberándose en el proceso unos 2,6 c.c. de gas.

El tubo fue sellado y, varias semanas después, el espectro del gas liberado en el tubo por el radio fue examinado por Deslandres, quien comprobó que presentaba el espectro completo del helio. El gas liberado durante el calentamiento inicial del radio se recolectó y se observó que contenía una gran cantidad de emanación, a pesar de que el gas había pasado a través de dos tubos sumergidos en aire líquido.

El tubo que contenía estos gases era muy luminoso y rápidamente se volvió violeta, mientras que más de la mitad de los gases fue absorbida. Se encontró que el espectro de la luz fosforescente era discontinuo, consistiendo en tres bandas de nitrógeno. No se observó ningún signo del espectro del helio, a pesar de que este debió haber estado presente.

Himstedt y Meyer³⁵ colocaron 50 mg de bromuro de radio en un tubo en U conectado a un pequeño tubo de vacío. El tubo se extrajo cuidadosamente el aire y luego se selló. Durante tres meses se observó únicamente el espectro del hidrógeno y del dióxido de carbono, pero al cabo de cuatro meses eran visibles las líneas roja, amarilla, verde y azul del espectro del helio.

La lenta aparición del espectro del helio se debió probablemente a la presencia en el tubo de una cantidad considerable de hidrógeno. En otro experimento, algo de sulfato de radio que había sido calentado al rojo vivo en un tubo de cuarzo se conectó con un pequeño tubo de vacío. Al cabo de tres semanas, algunas de las líneas del helio se veían claramente y aumentaron de brillo con el tiempo.

268. Conexión entre el helio y las partículas α.

La aparición de helio en un tubo que contiene la emanación del radio puede indicar o bien que el helio es uno de los productos finales que aparecen al final de la serie de cambios radiactivos, o bien que el helio es en realidad la partícula α expulsada.

La evidencia actual apunta a que esta última es la explicación más probable. En primer lugar, la emanación se difunde como un gas de elevado peso molecular, y parece probable que tras la expulsión de unas pocas partículas α, el peso atómico del producto final sea comparable al de la emanación. Por otra parte, el valor de e/m determinado para la partícula α proyectada apunta a la conclusión de que, si consiste en algún tipo conocido de materia, es hidrógeno o helio.

Ha existido una tendencia a suponer que el helio producido a partir de la emanación del radio es el último producto de transformación de dicha sustancia.

Sin embargo, la evidencia no respalda este punto de vista. Hemos visto que la emanación, tras los rápidos cambios iniciales, se transforma muy lentamente.

Si el helio fuera el producto final, la cantidad presente en el tubo de emanación al cabo de unos días o semanas sería insignificante, ya que interviene el producto radio D, que tarda 40 años en transformarse a la mitad.

Dado que el helio no puede ser el producto final de la serie de cambios, y dado que todos los demás productos son radiactivos y, casi con certeza, de elevado peso atómico, es difícil ver qué posición ocupa el átomo de helio en el esquema de transformación, a menos que sea la partícula $\alpha$ expulsada durante los cambios sucesivos.

Es cuestión de gran dificultad determinar con certeza si la partícula $\alpha$ es un átomo de helio proyectado o no.

A causa de la muy pequeña desviación de los rayos $\alpha$ en un campo eléctrico, y de la naturaleza compleja de la radiación $\alpha$ procedente del radio, una determinación precisa del valor e/m para la partícula $\alpha$ está plagada de dificultades.

Puede ser posible resolver la cuestión mediante mediciones precisas del volumen de gas en un tubo, lleno originalmente con la emanación de radio. Puesto que la emanación misma, y dos de los productos que cambian rápidamente y resultan de ella, emiten partículas $\alpha$, el volumen final de las partículas $\alpha$, si pueden existir en estado gaseoso, sería tres veces el volumen de la emanación.

Ramsay y Soddy (sección 172) han realizado experimentos de este tipo, pero los resultados obtenidos fueron muy contradictorios, dependiendo del tipo de vidrio empleado. En un caso, el volumen de los gases residuales se redujo casi a cero; en otro, el volumen inicial aumentó a cerca de diez veces su valor inicial. En este último experimento se observó un brillante espectro de helio en el gas residual. Esta diferencia de comportamiento se debe probablemente a diferentes grados de absorción de helio por los tubos de vidrio.

Si las partículas $\alpha$ son átomos de helio, podemos esperar que una gran proporción del helio, que se produce en un tubo que contiene la emanación de radio, quede enterrada en la pared del tubo de vidrio; pues las partículas $\alpha$ son proyectadas con la velocidad suficiente para penetrar cierta distancia en el vidrio.

Este helio puede permanecer en el vidrio o, en algunos casos, difundirse rápidamente hacia el exterior de nuevo. En cualquier caso, una fracción del helio se liberaría cuando se hace pasar una descarga eléctrica intensa a través del tubo.

Ramsay y Soddy han observado en algunos casos que se libera una pequeña cantidad de helio al calentar las paredes del tubo en el que se había almacenado la emanación durante algún tiempo.

El volumen de helio producido por año por 1 gramo de radio se puede calcular fácilmente bajo el supuesto de que la partícula $\alpha$ es en realidad un átomo de helio.

Se ha demostrado que se proyectan 2·5 × 10¹¹ partículas α por segundo desde 1 gramo de radio. Puesto que hay 3·6 × 10¹⁹ moléculas en un centímetro cúbico de cualquier gas a presión y temperatura normales, el volumen de las partículas α liberadas por segundo es de 7 × 10^-9 c.c. y por año de 0·24 c.c. Ya se ha señalado que, según esta hipótesis, el volumen de helio liberado por la emanación es tres veces el volumen de esta última. La cantidad de helio que se obtendrá de la emanación liberada por 1 gramo de radio en equilibrio radiactivo es, por tanto, de unos 3 milímetros cúbicos.

Ramsay y Soddy han intentado estimar experimentalmente el volumen probable de helio producido por segundo por un gramo de radio.

El helio, obtenido de 50 mg de bromuro de radio, que se había mantenido en solución en un recipiente cerrado durante 60 días, se introdujo en un tubo de vacío. Otro tubo similar se colocó en serie con él, y la cantidad de helio en este último se ajustó hasta que, al hacer pasar una descarga a través de los dos tubos en serie, las líneas del helio en cada tubo tenían aproximadamente la misma intensidad luminosa.

De este modo calcularon que la cantidad de helio presente era de 0,1 mm cúbicos. Según esta estimación, la cantidad de helio producido por año por gramo de radio es de unos 20 mm cúbicos.

Hemos visto que la cantidad calculada es de unos 240 mm cúbicos, bajo el supuesto de que la partícula $\alpha$ es un átomo de helio. Ramsay y Soddy consideran que la presencia de argón en uno de los tubos puede haber afectado gravemente a la exactitud de la estimación.

Debido a la gran incertidumbre asociada a las estimaciones de la naturaleza anterior, el valor deducido por Ramsay y Soddy no excluye la probabilidad de que el volumen calculado sea del orden de magnitud correcto.

Para explicar la presencia de helio en el radio según las líneas de la química ordinaria, se ha sugerido que el radio no es un elemento verdadero, sino un compuesto molecular de helio con alguna sustancia conocida o desconocida. El compuesto de helio se descompone gradualmente, dando lugar al helio observado.

Es evidente de inmediato que este compuesto de helio postulado es de una naturaleza completamente diferente a la de cualquier otro compuesto observado previamente en química.

• Peso por peso, emite durante su transformación una cantidad de energía al menos un millón de véces mayor que la de cualquier compuesto molecular conocido (véase la sección 249).
• Además, debe suponerse que la velocidad de descomposición del compuesto de helio es independiente de amplios rangos de temperatura, un resultado nunca antes observado en ningún cambio molecular.
• El compuesto de helio, en su descomposición, debe dar origen a las radiaciones peculiares y también pasar por los sucesivos cambios radiactivos observados en el radio.

Así pues, para explicar la producción de helio y radiactividad según este punto de vista, debe postularse un tipo único de molécula —una molécula que, de hecho, está dotada de todas y cada una de las propiedades que, según la teoría de la desintegración, se atribuyen al átomo de los elementos radiactivos.

Por otra parte, el radio, hasta donde ha sido examinado, ha cumplido con todas las pruebas requeridas para un elemento. Tiene un espectro bien definido y característico, y no hay razón para suponer que no sea un elemento en el sentido ordinariamente aceptado del término.

Partiendo de la teoría de que los elementos radiactivos están experimentando una desintegración atómica, el helio debe considerarse un constituyente del átomo de radio, o, en otras palabras, el átomo de radio está formado por partes, de las cuales una, al menos, es el átomo de helio.

La teoría de que los átomos pesados están formados por alguna unidad fundamental y simple de la materia o protilo ha sido propuesta en diversos momentos por muchos químicos y físicos prominentes. La hipótesis de Prout de que todos los elementos están formados a partir del hidrógeno es un ejemplo de este punto de vista al abordar el tema.

Según la teoría de la desintegración, los cambios que ocurren en los radioátomos implican una transformación real de los átomos a través de cambios sucesivos.

Este cambio es tan lento en el uranio y el torio que se requeriría al menos un millón de años antes de que la cantidad de cambio pudiera medirse con la balanza.

En el radio es un millón de veces más rápido, pero incluso en este caso es dudoso que se hubiera observado algún cambio apreciable por métodos químicos ordinarios durante muchos años si la posibilidad de tal cambio no hubiera sido sugerida por otras líneas de evidencia.

La similitud de las partículas $\alpha$ de los distintos radioelementos indica que consisten en partículas expulsadas de la misma clase. Desde este punto de vista, el helio debería ser producido por cada uno de los radioelementos.

Su presencia en minerales que contienen torio, por ejemplo en la monacita y en el mineral de Ceilán descrito por Ramsay, indica que el helio puede ser un producto del torio así como del radio. Strutt³⁶ ha sugerido recientemente que la mayor parte del helio observado en los minerales radiactivos puede ser un producto de descomposición del torio más que del uranio y del radio; pues encuentra que los minerales ricos en helio siempre contienen torio, mientras que muchos minerales de uranio casi libres de torio contienen poco helio.

Sin embargo, la evidencia que apoya este punto de vista no es del todo satisfactoria, ya que algunos de los minerales de uranio en cuestión son minerales de uranio secundarios (véase el Apéndice B), depositados por la acción del agua u otros agentes en una fecha comparativamente tardía y, además, en muchos casos, son altamente emanantes y, en consecuencia, no cabría esperar que retuvieran más que una fracción del helio producido en ellos.

Tomando el punto de vista de que las partículas $\alpha$ son átomos de helio proyectados, debemos considerar los átomos de los elementos radioactivos como compuestos de alguna sustancia conocida o desconocida con helio. Estos compuestos se desintegran espontáneamente, y a una velocidad muy lenta incluso en el caso del radio.

La desintegración tiene lugar en etapas sucesivas, y en la mayoría de las etapas se proyecta un átomo de helio con gran velocidad. Esta desintegración va acompañada de una enorme emisión de energía.

La liberación de una cantidad tan grande de energía en los cambios radioactivos explica de inmediato la constancia de la velocidad de cambio bajo la acción de cualquiera de los agentes físicos y químicos a nuestro alcance.

Desde este punto de vista, el uranio, el torio y el radio son en realidad compuestos de helio. El helio, sin embargo, se mantiene en una combinación tan fuerte que el compuesto no puede descomponerse por fuerzas químicas o físicas y, en consecuencia, estos cuerpos se comportan como elementos químicos en el sentido químico ordinario aceptado.

Parece bastante probable que muchos de los llamados elementos químicos puedan resultar ser compuestos de helio, o, en otras palabras, que el átomo de helio sea una de las unidades secundarias a partir de las cuales se construyen los átomos más pesados.

A este respecto, es interesante señalar que muchos de los elementos difieren en su peso atómico en cuatro unidades —el peso atómico del helio—.

Si la partícula $\alpha$ es un átomo de helio, deben ser expulsadas al menos tres partículas $\alpha$ del uranio (238,5) para reducir su peso atómico al del radio (225). Se sabe que cinco partículas $\alpha$ son expulsadas del radio durante sus transformaciones sucesivas. Esto haría que el peso atómico del residuo final fuera $225-20=205$.

Este es muy próximo al peso atómico del plomo, 206,5. He considerado probable, desde hace algún tiempo, que el plomo sea el producto final o último del radio. La misma sugerencia ha sido hecha recientemente por Boltwood³⁷.

Este punto de vista se ve respaldado por el hecho de que el plomo se encuentra siempre en pequeña cantidad en todos los minerales de uranio, y que las proporciones relativas de plomo y helio en los minerales radiactivos son aproximadamente las mismas que cabría esperar si el plomo y el helio fuesen ambos productos de descomposición del radio.

El Dr. Boltwood ha llamado mi atención sobre el hecho de que la proporción de plomo en muchos minerales radiactivos varía con el contenido de helio. Un mineral rico en helio contiene, en casi todos los casos, más plomo que un mineral pobre en helio. Esto no puede considerarse, por el momento, más que una especulación, pero los hechos tal como se presentan son muy sugerentes.

269. Age of radio-active minerals.

Helium is only found in the radio-active minerals, and this fact, taken in conjunction with the liberation of helium by radium, indicates that the helium must have been produced as a result of the transformation of radium and the other radio-active substances contained in the minerals.

Now in a mineral about half the helium is, in many cases, released by heat and the residue by solution. It seems probable that the helium produced throughout the mass of the mineral is mechanically imprisoned in it. Moss³⁸ found that, by grinding pitchblende in vacuo, helium is evolved, apparently showing that the helium exists in cavities of the mineral. Travers³⁹ has suggested that, since helium is liberated on heating, the effect may be due to the heat generated by grinding.

The escape of the helium from the heated mineral is probably connected with the fact observed by Jaquerod⁴⁰ that helium passes through the walls of a quartz tube, heated above 500° C. The substance of the mineral probably possesses a similar property. Travers considers that helium is present in the mineral in a state of supersaturated solid solution, but the facts are equally well explained by assuming that the helium is mechanically imprisoned in the mass of the mineral.

Se ha descubierto que el repentino aumento de temperatura observado en el mineral fergusonita, en el momento en que se libera el helio, no tiene nada que ver con la presencia de helio, ya que también tiene lugar en minerales que no contienen helio.

La antigua opinión de que el helio se encontraba en un estado de combinación química con el mineral debe abandonarse a la luz de estos experimentos más recientes.

Puesto que el helio solo se libera de algunos minerales por la acción de altas temperaturas y la disolución, parece probable que una gran proporción del helio encontrado en los minerales no pueda escapar en condiciones normales.

Así pues, si se conociera con certeza la tasa de producción de helio por parte de la sustancia radiactiva, debería ser posible calcular la edad del mineral observando el volumen de helio liberado de este mediante disolución.

A falta de información tan concreta, se realizará un cálculo aproximado para indicar el orden de magnitud del tiempo transcurrido desde que se formó el mineral o desde que estuvo a una temperatura lo suficientemente baja como para impedir el escape del helio.

Tomemos, por ejemplo, el mineral fergusonita, en el cual Ramsay y Travers⁴¹ encontraron que se desprenden 1,81 c. c. de helio. La fergusonita contenía alrededor de un 7 por ciento de uranio. Ahora bien, el uranio en los minerales antiguos probablemente contiene alrededor de 8 × 10^-7 de su peso en radio (véase la sección 262). Un gramo del mineral contenía, por tanto, unos 5,6 × 10^-8 gramos de radio.

Ahora bien, si la partícula $\alpha$ es helio, se ha demostrado que 1 gramo de radio produce 0,24 c. c. de helio por año. El volumen de helio producido por año en 1 gramo de fergusonita es, por tanto, de 1,3 × 10^-8 c. c. Suponiendo que la tasa de producción de helio haya sido uniforme, el tiempo necesario para producir 1,81 c. c. por gramo es de unos 140 millones de años. Si la tasa calculada de producción de helio por el radio es una sobreestimación, el tiempo se alarga correspondientemente.

Creo que, cuando las constantes necesarias para estos cálculos estén más definitivamente fijadas, este método proporcionará probablemente información bastante fidedigna en cuanto a la edad probable de algunos de los minerales radioactivos de la corteza terrestre, e indirectamente en cuanto a la edad de los estratos en los que se encuentran.

A este respecto es interesante observar que Ramsay⁴² halló que un mineral de Ceilán, la torianita, contenía hasta 9,5 c. c. de helio por gramo. Según el análisis de Dunstan, este mineral contiene alrededor de un 76 por ciento de torio y un 12 por ciento de uranio.

La cantidad desacostumbradamente grande de helio desprendida por este mineral indicaría que se formó en una fecha anterior a la de la fergusonita considerada previamente.

270. Posibles causas de desintegración.

Para explicar los fenómenos de la radiactividad, se ha supuesto que una pequeña fracción determinada de los radioátomos experimenta una desintegración por segundo, pero no se ha hecho ninguna suposición en cuanto a la causa que produce la inestabilidad y la consiguiente desintegración.

Puede suponerse que la inestabilidad de los átomos es provocada ya sea por la acción de fuerzas externas o por la de fuerzas inherentes a los propios átomos mismos. Es concebible, por ejemplo, que la aplicación de alguna fuerza externa leve pudiera causar inestabilidad y la consiguiente desintegración, acompañada de la liberación de una gran cantidad de energía, bajo el mismo principio de que un detonador es necesario para iniciar algunos explosivos.

Se ha demostrado que el número de átomos de cualquier producto radiactivo que se desintegran por segundo es siempre proporcional al número presente. Esta ley de cambio no arroja ninguna luz sobre la cuestión, pues cabría esperarla igualmente bajo cualquiera de las dos hipótesis. No se ha considerado posible alterar la tasa de cambio de ningún producto mediante la aplicación de ninguna fuerza física o química conocida, a menos que posiblemente se asuma que la fuerza de gravedad, la cual no está bajo nuestro control, pueda influir de algún modo en la estabilidad de los radioátomos.

Parece probable, por lo tanto, que la causa de la desintegración de los átomos de los elementos radioactivos y de sus productos residan en los átomos mismos.

De acuerdo con las opiniones modernas sobre la constitución del átomo, no es tanto motivo de sorpresa que algunos átomos se desintegren como que los átomos de los elementos sean tan permanentes como parecen ser.

De acuerdo con la hipótesis de J. J. Thomson, puede suponerse que los átomos constan de un cierto número de pequeñas partículas cargadas positiva y negativamente en rápido movimiento interno, y mantenidas en equilibrio por sus fuerzas mutuas.

En un átomo complejo, donde las variaciones posibles en el movimiento relativo de las partes son muy grandes, el átomo puede llegar a una fase tal que una parte adquiera la energía cinética suficiente para escapar del sistema, o que las fuerzas restrictivas se neutralicen momentáneamente, de modo que la parte escape del sistema con la velocidad que poseía en el instante de su liberación.

Sir Oliver Lodge⁴³ ha propuesto la hipótesis de que la inestabilidad del átomo puede ser el resultado de la radiación de energía por parte de este. Larmor ha demostrado que un electrón, sujeto a una aceleración, irradia energía a una velocidad proporcional al cuadrado de su aceleración. Un electrón que se mueve uniformemente en línea recta no irradia energía, pero un electrón obligado a moverse en una órbita circular con velocidad constante es un potente radiador, ya que en tal caso el electrón es acelerado continuamente hacia el centro.

Lodge consideró el caso simple de un electrón cargado negativamente que gira alrededor de un átomo de masa relativamente grande pero que tiene una carga positiva igual y se mantiene en equilibrio por fuerzas eléctricas. Este sistema irradiará energía y, dado que la radiación de energía es equivalente al movimiento en un medio resistente, la partícula tiende a moverse hacia el centro y su velocidad aumenta en consecuencia. La tasa de radiación de energía aumentará rápidamente con la velocidad del electrón.

Cuando la velocidad del electrón se vuelve muy próxima a la velocidad de la luz, según Lodge, sobreviene otro efecto.

Se ha demostrado (sección 82) que la masa aparente de un electrón aumenta muy rápidamente a medida que se aborda la velocidad de la luz, y es teóricamente infinita a la velocidad de la luz.

Habrá en esta etapa un aumento repentino de la masa del átomo en revolución y, bajo la suposición de que esta etapa pueda alcanzarse, una consiguiente perturbación del equilibrio de las fuerzas que mantienen unido al sistema.

Lodge considera probable que, bajo estas condiciones, las partes del sistema se desarmen y escapen de la esfera de influencia mutua.

Parece probable que la causa principal de la desintegración del átomo deba buscarse en la pérdida de energía del sistema atómico debida a la radiación electromagnética (sección 52). Larmor⁴⁴ ha demostrado que la condición que debe cumplirse para que un sistema de electrones en rápido movimiento pueda persistir sin pérdida de energía es que la suma vectorial de las aceleraciones hacia el centro sea permanentemente cero.

Si bien un solo electrón que se mueve en una órbita circular es un potente radiador de energía, resulta notable cuán rápidamente disminuye la radiación de energía si varios electrones giran en un anillo. Esto ha sido demostrado recientemente por J. J. Thomson⁴⁵, quien examinó matemáticamente el caso de un sistema de corpúsculos negativamente electrizados, situados a intervalos iguales alrededor de la circunferencia de un círculo, y que giran en un solo plano con velocidad uniforme alrededor de su centro.

Por ejemplo, halló que la radiación de un grupo de seis partículas que se mueven con una velocidad de ⅒ de la velocidad de la luz es menor que la milmillonésima parte de la radiación de una sola partícula que describe la misma órbita con la misma velocidad. Cuando la velocidad es ¹⁄₁₀₀ de la de la luz, la cantidad de radiación es de solo 10^-16 de la de una sola partícula que se mueve con la misma velocidad en la misma órbita.

Resultados de este tipo indican que un átomo que consista en un gran número de electrones en órbita puede irradiar energía de manera extremadamente lenta y, sin embargo, finalmente, esta pequeña pero continua pérdida de energía del átomo debe traducirse bien en una reorganización de sus partes componentes en un nuevo sistema, o bien en una expulsión de electrones o grupos de electrones del átomo.

Modelos simples de átomos para imitar el comportamiento del polonio al emitir partículas $\alpha$, y del radio al emitir partículas $\beta$ han sido analizados por Lord Kelvin⁴⁶.

Es posible idear ciertas disposiciones estables de las partículas electrificadas positiva y negativamente, supuestas constituyentes de un átomo, las cuales, al aplicárseles alguna fuerza perturbadora, se desintegran con la expulsión de una parte del sistema a gran velocidad.

J. J. Thomson⁴⁷ ha investigado matemáticamente las posibles disposiciones estables de un cierto número de electrones que se mueven en una esfera de electrificación positiva uniforme. Las propiedades de tal átomo modelo son muy llamativas e sugieren indirectamente una posible explicación de la ley periódica en química. Ha demostrado que los electrones, si están en un mismo plano, se disponen en una serie de anillos concéntricos; y, por lo general, si no están constreñidos a moverse en un solo plano, en una serie de capas concéntricas como las capas de una cebolla.

El problema matemático se simplifica mucho si se supone que los electrones giran en anillos en un plano, estando los electrones de cada anillo dispuestos a intervalos angulares iguales. Las formas en que el número de electrones se agrupa, para números que van de 60 a 5 a intervalos de 5, se muestran en la siguiente tabla:—

En la tabla siguiente se da la posible serie de disposiciones de electrones que pueden tener un anillo exterior de 20:—

El número más pequeño de electrones que puede tener un anillo exterior de 20 es 59, mientras que 67 es el mayor.

Los diversos arreglos de electrones pueden clasificarse en familias, en las cuales las agrupaciones de electrones tienen ciertas características en común.

Así, el grupo de 60 electrones consiste en el mismo arreglo de electrones que el grupo de 40 con la adición de un anillo exterior de 20 electrones; el grupo de 40 es el mismo que el grupo de 24 con un anillo adicional en el exterior; y el grupo de 24, a su vez, es el mismo que el grupo de 11 con un anillo adicional.

Una serie de átomos modelo puede formarse de este modo, en el cual cada átomo se deriva del miembro precedente mediante un anillo adicional de electrones. Sería de esperar que tales átomos poseyeran muchas propiedades en común, y corresponderían a los elementos de la misma columna vertical de la tabla periódica de Mendeléyev.

Las diferentes ordenaciones de los electrones varían ampliamente en su estabilidad.

Algunas pueden adquirir un electrón extra o dos y aun así seguir siendo otras pierden fácilmente un electrón sin alterar su estabilidad.

Las primeras corresponderían a un átomo electronegativo, las segundas a uno electropositivo.

Ciertas disposiciones de electrones son estables si los electrones se mueven con una velocidad angular mayor que cierto valor, pero se vuelven inestables cuando la velocidad cae por debajo de este valor.

Cuatro electrones en movimiento, por ejemplo, son estables en un solo plano, pero cuando la velocidad cae por debajo de cierto valor crítico, el sistema es inestable y los electrones tienden a disponerse en las esquinas de un tetraedro regular.

J. J. Thomson (loc. cit.) aplica esta propiedad para explicar por qué un átomo de materia radiactiva se desintegra, de la siguiente manera:—

«Consideremos ahora las propiedades de un átomo que contiene un sistema de corpúsculos (electrones) de este tipo. Supongamos que los corpúsculos se movían originalmente con velocidades que superaban con creces la velocidad crítica; como consecuencia de la radiación de los corpúsculos en movimiento, su velocidad disminuirá lenta —muy lentamente—; cuando, tras un largo intervalo, la velocidad alcance la velocidad crítica, se producirá algo equivalente a una explosión de los corpúsculos, estos se alejarán mucho de su posición original, su energía potencial disminuirá, mientras que su energía cinética aumentará. La energía cinética ganada de este modo podría ser suficiente para expulsar al sistema fuera del átomo, y tendríamos, como en el caso del radio, una parte del átomo disparada hacia afuera. Como consecuencia de la muy lenta disipación de energía por radiación, la vida del átomo sería muy larga. Hemos tomado el caso de los cuatro corpúsculos como el tipo de un sistema que, al igual que una peonza, requiere para su estabilidad una cierta cantidad de rotación. Cualquier sistema que poseyera esta propiedad conferiría al átomo que lo contiene, como consecuencia de la disipación gradual de energía por radiación, propiedades radiactivas similares a las conferidas por los cuatro corpúsculos».

271. Calor del sol y de la tierra.

Rutherford y Soddy⁴⁸ señalaron que el mantenimiento del calor del sol durante largos intervalos de tiempo no presentaba ninguna dificultad fundamental si se suponía que en el sol estaba teniendo lugar un proceso de desintegración, como el que ocurre en los elementos radiactivos.

En una carta a Nature (9 de julio de 1903), W. E. Wilson demostró que la presencia de 3,6 gramos de radio en cada metro cúbico de la masa del sol era suficiente para explicar la tasa actual de emisión de energía por parte del sol. Este cálculo se basó en la estimación de Curie y Laborde de que 1 gramo de radio emite 100 gramos-calorías por hora, y en la observación de Langley de que cada centímetro cuadrado de la superficie del sol emite 8,28 × 10⁶ gramos-calorías por hora.

Dado que la densidad media del sol es de 1,44, la presencia de radio en el sol, en una proporción de 2,5 partes en peso por millón, explicaría su ritmo actual de emisión de energía.

Un examen del espectro del sol no ha revelado hasta ahora ninguna de las líneas del radio. Se sabe, sin embargo, por evidencia espectroscópica, que el helio está presente, y esto sugiere indirectamente la existencia de materia radiactiva también.

Puede demostrarse fácilmente⁴⁹ que la ausencia de rayos penetrantes procedentes del sol en la superficie de la tierra no implica que los radioelementos no estén presentes en el sol.

Incluso si el sol estuviera compuesto de radio puro, difícilmente cabría esperar que los rayos γ emitidos fueran apreciables en la superficie de la tierra, ya que los rayos serían absorbidos casi por completo al atravesar la atmósfera, lo que corresponde a un espesor de 76 centímetros de mercurio.

En el apéndice E de la Filosofía Natural de Thomson y Tait, lord Kelvin ha calculado la energía perdida en la concentración del sol a partir de un estado de dispersión infinita, y concluye que parece «en conjunto probable que el sol no haya iluminado la tierra durante 100.000.000 de años y casi seguro que no lo ha hecho durante 500.000.000 de años. En cuanto al futuro podemos decir, con igual certeza, que los habitantes de la tierra no pueden seguir disfrutando de la luz y el calor esenciales para su vida durante muchos millones de años más, a menos que se preparen fuentes ahora desconocidas por nosotros en los grandes almacenes de la creación».

El descubrimiento de que una pequeña masa de una sustancia como el radio puede emitir espontáneamente una enorme cantidad de calor hace posible que esta estimación de la antigüedad del calor del sol aumente considerablemente.

En una carta a Nature (24 de sept. de 1903) G. H. Darwin llamó la atención sobre esta probabilidad y, al mismo tiempo, señaló que, según las hipótesis de Kelvin, su estimación de la duración del calor del sol era probablemente muy exagerada, y declaró que: «La energía perdida del sol, supuesto que sea una esfera homogénea de masa M y radio a, es (⅗)μM²/a donde μ es la constante de gravitación».

Al introducir valores numéricos para los símbolos de esta fórmula, encuentro que la energía perdida es de 2·7 × 10⁷ M calorías, donde M se expresa en gramos. Si adoptamos el valor de Langley para la constante solar, este calor basta para proporcionar un suministro durante 12 millones de años. Lord Kelvin usó el valor de Pouillet para dicha constante, pero si hubiera podido usar el de Langley, sus 100 millones se habrían reducido a 60 millones.

La discrepancia entre mi resultado de 12 millones y el suyo de 60 millones se explica por un aumento conjectural de la energía perdida para tener en cuenta la concentración de la masa solar hacia sus partes centrales.

Ahora se ha demostrado (sección 266) que un gramo de radio emite durante su vida una cantidad de calor correspondiente a 1·6 × 10⁹ gramo-calorías.

También se ha señalado que hay sobradas razones para suponer que una cantidad similar de energía reside en los átomos químicos de los elementos inactivos. No es improbable que, a la enorme temperatura del sol, la desintegración de los elementos en formas más simples tenga lugar a un ritmo más rápido que en la tierra.

Si la energía residente en los átomos de los elementos está así disponible, el tiempo durante el cual el sol puede seguir emitiendo calor al ritmo actual puede ser al menos 50 veces mayor que el valor calculado a partir de datos dinámicos.

Consideraciones similares se aplican a la cuestión de la edad de la tierra. Lord Kelvin presenta una discusión completa sobre la probable edad de la tierra, calculada a partir de su enfriamiento secular a partir de una masa fundida, en el Apéndice D del tratado Natural Philosophy de Thomson y Tait. Ha demostrado allí que unos 100 millones de años después de que la tierra fuera una masa fundida, el enfriamiento gradual debido a la radiación desde su superficie explicaría el gradiente de temperatura promedio de ¹⁄₅₀° F. por pie, observado hoy en día cerca de la superficie terrestre.

Se discutirán ahora algunas consideraciones que señalan la probabilidad de que el actual gradiente de temperatura observado en la tierra no pueda utilizarse como guía para estimar el tiempo transcurrido desde que la tierra se encuentra a una temperatura capaz de sostener vida animal y vegetal; pues se demostrará que probablemente hay suficiente materia radiactiva en la tierra como para suministrarle tanto calor como el que se pierde por radiación desde su superficie.

Tomando la conductividad media K de los materiales de la tierra como ·004 (unidades C.G.S.) y el gradiente de temperatura T cerca de la superficie como ·00037° C. por cm, el calor Q en calorías-gramo conducido a la superficie de la tierra por segundo viene dado por donde R es el radio de la tierra.

Sea X la cantidad media de calor liberada por segundo y por centímetro cúbico del volumen de la tierra debido a la presencia de materia radiactiva.

Si el calor Q irradiado por la tierra es igual al calor suministrado por la materia radiactiva en la tierra,

Sustituyendo los valores de estas constantes,

Como 1 gramo de radio emite 876.000 gramos-calorías por año, la presencia de 2,6 × 10^-13 gramos de radio por unidad de volumen, o 4,6 × 10^-14 gramos por unidad de masa, compensaría el calor perdido por la tierra por conducción.

Ahora se demostrará en el capítulo siguiente que la materia radiactiva parece estar distribuida de manera bastante uniforme a través de la tierra y la atmósfera.

Además, se ha encontrado que todas las sustancias son radiactivas en un grado débil, aunque todavía no se ha determinado si esta radiactividad no se deberá principalmente a la presencia de un elemento radiactivo como impureza.

Por ejemplo, Strutt⁵⁰ observó que una placa de platino tenía aproximadamente ¹⁄₃₀₀₀ de la actividad de un cristal de nitrato de uranio, o aproximadamente 2 × 10^-10 de la actividad del radio. Esto corresponde a una actividad mucho mayor que la necesaria para compensar la pérdida de calor de la tierra.

Sin embargo, puede hacerse una deducción más exacta a partir de los datos de la radiactividad que exhibe la materia extraída de la tierra. Elster y Geitel⁵¹ llenaron un recipiente de 3,3 × 10³ cm³ de volumen con arcilla extraída del jardín, y lo colocaron en un recipiente de 30 litros de capacidad en el que se había dispuesto un electroscopio para determinar la conductividad del gas encerrado. Tras reposar durante varios días, hallaron que la conductividad del aire alcanzaba un valor máximo constante, equivalente a tres veces el normal.

Más adelante se demostrará (sección 284) que la conductividad normal observada en recipientes sellados corresponde a la producción de unos 30 iones por cm³ y por segundo. El número de iones producidos por segundo en el recipiente por la tierra radiactiva fue, por tanto, de unos 2 × 10⁶. Esto daría una corriente de saturación a través del gas de 2,2 × 10^-14 unidades electromagnéticas.

Ahora bien, la emanación de 1 gramo de radio almacenado en un cilindro metálico produce una corriente de saturación de aproximadamente 3,2 × 10^-5 unidades electromagnéticas. Elster y Geitel consideraron que la mayor parte de la conductividad observada en el gas se debía a una emanación radiactiva, que se difuminaba gradualmente desde la arcilla hacia el aire del recipiente. El aumento de la conductividad en el gas observado por Elster y Geitel sería producido de este modo por la emanación de 7 × 10^-10 gramos de radio. Tomando la densidad de la arcilla como 2, esto corresponde aproximadamente a 10^-13 gramos de radio por gramo de arcilla.

Pero se ha demostrado que si hubiera 4·6 × 10^-14 gramos de radio en cada gramo de tierra, el calor emitido compensaría la pérdida de calor de la tierra por conducción y radiación. La cantidad de actividad observada en la tierra es, por tanto, del orden de magnitud adecuado para justificar la emisión de calor requerida. En la estimación anterior no se ha tenido en cuenta la presencia de minerales de uranio y torio en la tierra.

Además, es probable que la cantidad total de radiactividad en la arcilla fuera considerablemente mayor que la calculada, ya que es probable que estuviera presente otra materia radiactiva que no emitiera emanaciones.

Si se supone que la tierra se encuentra en un estado de equilibrio térmico en el cual el calor perdido por radiación es suministrado por materia radiactiva, debe haber una cantidad de materia radiactiva en la tierra equivalente a unos 270 millones de toneladas de radio.

Si hubiera más radio que este en la tierra, el gradiente de temperatura sería mayor que el observado hoy en día. Esto puede parecer una cantidad muy grande de radio, pero las determinaciones recientes (sección 281) de la cantidad de emanación de radio en la atmósfera respaldan firmemente la opinión de que debe existir una gran cantidad de radio en el suelo superficial de la tierra.

Eve encontró, según una estimación mínima, que la cantidad de emanación siempre presente en la atmósfera es equivalente a la cantidad de equilibrio derivada de 100 toneladas de radio. Hay sobradas razones para creer que la emanación hallada en la atmósfera es suministrada tanto por la difusión de la emanación del suelo como por la acción de los manantiales.

Dado que la emanación pierde la mitad de su actividad en cuatro días, no puede difundirse desde una profundidad muy grande. Asumiendo que el radio se distribuye uniformemente por toda la tierra, la cantidad de emanación de radio producida en una capa delgada de tierra de unos trece metros de profundidad es suficiente para explicar la cantidad que se observa ordinariamente en la atmósfera.

Creo que podemos concluir que la actual tasa de pérdida de calor de la tierra podría haber continuado sin cambios durante largos períodos de tiempo como consecuencia del suministro de calor procedente de la materia radiactiva en el interior de la tierra.

Parece probable, por tanto, que la tierra haya permanecido durante intervalos de tiempo muy prolongados a una temperatura no muy diferente de la observada hoy en día y que, en consecuencia, el tiempo durante el cual la tierra ha estado a una temperatura capaz de sostener la presencia de vida animal y vegetal sea mucho mayor que la estimación realizada por Lord Kelvin a partir de otros datos.

272. Evolución de la materia. Aunque la hipótesis de que toda materia está compuesta por alguna unidad elemental de materia o protilo ha sido propuesta como especulación en diversos momentos por muchos físicos y químicos prominentes, la primera evidencia experimental definitiva que demostró que el átomo químico no era la unidad más pequeña de materia fue obtenida en 1897 por J. J. Thomson en su clásica investigación sobre la naturaleza de los rayos catódicos producidos por una descarga eléctrica en un tubo de vacío. Hemos visto que Sir William Crookes, quien fue el primero en demostrar las notables propiedades de estos rayos, había sugerido que consistían en corrientes de materia proyectada cargada y representaban —como él lo denominó— un estado nuevo o «cuarto estado de la materia».

J. J. Thomson demostró por dos métodos distintos (sección 50) que los rayos catódicos consistían en una corriente de partículas cargadas negativamente proyectadas a gran velocidad. Las partículas se comportaban como si su masa fuera de solo aproximadamente ¹⁄₁₀₀₀ de la masa del átomo de hidrógeno, que es el átomo más ligero conocido.

Estos corpúsculos, como los denominó Thomson, se descubrió más tarde que eran producidos por un filamento de carbón incandescente y por una placa de cinc expuesta a la acción de la luz ultravioleta. Actuaban como unidades aisladas de electricidad negativa y, como hemos visto, pueden identificarse con los electrones estudiados matemáticamente por Larmor y Lorentz.

No solo se producían estos electrones por la acción de la luz, el calor y la descarga eléctrica, sino que también se descubrió que cuerpos similares eran emitidos espontáneamente por los radioelementos con una velocidad muy superior a la observada para los electrones en un tubo de vacío.

Se encontró que los electrones producidos de estas diversas maneras llevaban todos una carga negativa y eran aparentemente idénticos; pues la relación e/m de la carga del electrón a su masa era en todos los casos la misma dentro de los límites del error experimental.

Dado que los electrones, producidos a partir de diferentes clases de materia y bajo diferentes condiciones, eran en todos los casos idénticos, parecía probable que fueran una parte constituyente de toda la materia. J. J. Thomson sugirió que el átomo está compuesto por un cierto número de estos electrones cargados negativamente combinados de algún modo con los correspondientes cuerpos cargados positivamente.

Desde este punto de vista, los átomos de los elementos químicos se diferencian entre sí únicamente en el número y la disposición de los electrones que los componen.

La extracción de un electrón del átomo en el caso de la ionización no parece afectar permanentemente a la estabilidad del sistema, ya que hasta ahora no se ha obtenido ninguna evidencia que muestre que el paso de una descarga eléctrica intensa a través de un gas dé lugar a una alteración permanente de la estructura del átomo.

Por otra parte, en el caso de los cuerpos radiactivos, una partícula cargada positivamente, de una masa aproximadamente doble a la del átomo de hidrógeno, escapa del átomo radiactivo pesado. Esta pérdida parece dar lugar inmediatamente a una alteración permanente del átomo y provoca un cambio acusado en sus propiedades físicas y químicas. Además, no hay indicios de que el proceso sea reversible.

La expulsión de una partícula β con gran velocidad a partir de un átomo de materia radiactiva también da como resultado una transformación del átomo.

Por ejemplo, el radio E emite una partícula β y, como consecuencia, da lugar a una sustancia distinta, el radio F (polonio). Un caso de este tipo, en el que la expulsión de una partícula β con gran velocidad causa una reorganización completa de las partes de un átomo, es probablemente muy distinto del proceso que ocurre durante la ionización, en el que un electrón de baja velocidad escapa del átomo sin afectar aparentemente a la estabilidad del átomo restante.

La única prueba experimental directa de la transformación de la materia se ha obtenido a partir del estudio de los cuerpos radiactivos.

Si la teoría de la desintegración, propuesta para explicar los fenómenos de la radiactividad, es correcta en sus aspectos esenciales, entonces los radioelementos están experimentando un proceso espontáneo y continuo de transformación en otras clases de materia diferentes.

La velocidad de transformación es lenta en el uranio y el torio, pero es bastante rápida en el radio. Se ha demostrado que la fracción de una masa de radio que se transforma por año es de aproximadamente ¹⁄₂₀₀₀ de la cantidad total presente. En el caso del uranio y el torio, probablemente se requeriría un millón de años para producir una cantidad similar de cambio.

Por lo tanto, el proceso de transformación en el uranio y el torio es demasiado lento para ser detectado en un tiempo razonable mediante el uso de la balanza o el espectroscopio, pero las radiaciones que acompañan a la transformación pueden detectarse fácilmente.

Aunque el proceso de cambio es lento, es continuo, y en el transcurso de las eras el uranio y el torio presentes en la tierra deben transformarse en otros tipos de materia.

Aquellos que han considerado la posibilidad de que los átomos experimenten un proceso de transformación han pensado generalmente que la materia en su conjunto experimentaría un cambio progresivo, con una alteración gradual de las propiedades físicas y químicas de toda la masa de la sustancia.

Según la teoría de la desintegración, este no es el caso. Solo una fracción diminuta de la materia presente se descompone por unidad de tiempo, y en cada una de las etapas sucesivas por las que pasan los átomos desintegrados, se produce en la mayoría de los casos una alteración marcada en las propiedades químicas y físicas de la materia.

La transformación de los elementos radioactivos es, por tanto, una transformación de una parte per saltum, y no un cambio progresivo del todo. En cualquier momento posterior al inicio del proceso de transformación, quedará así una parte de la materia que permanece inalterada y, mezclados con ella, los productos resultantes de la transformación del resto.

La pregunta surge naturalmente de si el proceso de degradación de la materia se limita a los elementos radiactivos o si es una propiedad universal de la materia.

En el capítulo XIV se demostrará que toda la materia examinada hasta el momento exhibe la propiedad de la radiactividad en un grado leve. Sin embargo, es muy difícil cerciorarse de que la radiactividad observada no se deba a la presencia en la materia de un ligero rastro de algún elemento radiactivo.

Si la materia ordinaria es radiactiva, es seguro que su actividad es mucho menor que la del uranio y que, en consecuencia, su tasa de transformación debe de ser excesivamente lenta.

Existe, sin embargo, otra posibilidad que debe considerarse. Los cambios que ocurren en los radioelementos probablemente nunca se habrían detectado si el cambio no hubiera ido acompañado de la expulsión de partículas cargadas a gran velocidad. No parece improbable que un átomo pueda sufrir una desintegración sin proyectar una parte de su sistema con la velocidad suficiente para ionizar el gas. De hecho, hemos visto que, incluso en los radioelementos, varias de las series de cambios tanto en el torio, el radio como en el actinio no van acompañadas de rayos ionizantes. Los resultados experimentales dados en el Apéndice A apoyan firmemente este punto de vista.

Puede ser así posible que toda la materia esté sufriendo un lento proceso de transformación, que hasta ahora solo se ha detectado en los elementos radiactivos debido a la expulsión de partículas cargadas con gran velocidad durante el cambio.

Este proceso de degradación de la materia que continúa durante eras debe reducir los constituyentes de la tierra a las formas de materia más simples y estables.

La idea de que el helio es un producto de transformación del radio sugiere la probabilidad de que el helio sea una de las sustancias más elementales de las que se componen los átomos más pesados.

Sir Norman Lockyer, en su interesante libro sobre la «Evolución inorgánica», ha señalado que los espectros del helio y del hidrógeno predominan en las estrellas más calientes. En las estrellas más frías aparecen los tipos de materia más complejos.

Sir Norman Lockyer ha basó su teoría de la evolución de la materia en la evidencia del examen espectroscópico de las estrellas, y considera que la temperatura es el factor principal en la descomposición de la materia en sus formas más simples. La transformación de la materia que se produce en los elementos radiactivos es, por otra parte, espontánea e independiente de la temperatura en el rango examinado.