El ciclotró

—Un objectiu fonamental de la física del segle XX va ser posar partícules subatòmiques a fer voltes i voltes cada vegada més ràpid.—

Un dels instruments fonamentals per a investigar en l’àmbit de la física atòmica i nuclear és el ciclotró. Un ciclotró és un tipus d’accelerador de partícules, de trajectòria circular, capaç d’imprimir un moviment en espiral cada vegada més veloç a partícules subatòmiques carregades com, per exemple, els protons. Les partícules, que es mouen en el buit seguint una trajectòria corba gràcies a l’efecte d’un camp magnètic uniforme, són accelerades gradualment a partir de les oscil·lacions d’alta freqüència que generen un camp elèctric oscil·lant. El desenvolupament del ciclotró va estar motivat, en gran manera, pels avantatges que presentava aquest tipus d’accelerador sobre els acceleradors lineals, ja que permetia accelerar les partícules sense necessitat d’emprar alts voltatges i en repetides ocasions, fins a aconseguir partícules amb altes energies que podien ser utilitzades com a projectils per a bombardejar nuclis atòmics i estudiar-los. D’aquesta manera, per exemple, es podien produir radioisòtops, és a dir, àtoms amb un nucli inestable que emeten radiació durant la seua transició cap a una forma més estable.

Principis i disseny d’un ciclotró (Ernest Lawrence, 1934). Wikimedia.

El ciclotró va ser desenvolupat pels estatunidencs Ernest O. Lawrence (1901-1958) i M. Stanley Livingstone (1905-1986) a principis de la dècada de 1930. Si bé és cert que amb anterioritat hi hagué iniciatives similars ideades per a accelerar electrons, com els treballs del físic noruec Rolf Widerøe (1902-1996) o les patents presentades pel físic hongarès Leo Szilard (1898-1964), van ser Lawrence i Livingstone els qui van aconseguir dissenyar i construir el primer instrument d’aquestes característiques capaç de transferir a les partícules una energia suficient com per a provocar la desintegració de nuclis atòmics. Convençut de les aplicacions d’aquesta tipus de màquina, Lawrence va promoure la creació d’un laboratori destinat a perfeccionar i millorar les prestacions del nou instrument. Va ser així com es va crear el Radiation Laboratory de la Universitat de Califòrnia en Berkeley (posteriorment rebatejat en la dècada de 1970 amb el nom de Lawrence Berkeley Laboratory, en honor al seu primer director), una instal·lació que va resultar crucial per al posterior èxit del Projecte Manhattan. De fet, diversos autors han defensat la idea que el desenvolupament del ciclotró va obrir les portes al que posteriorment es va conèixer amb el nom de Big Science. No debades, durant la dècada de 1930 Lawrence i el seu equip es van esforçar per aconseguir aparells d’un diàmetre cada vegada major amb els quals obtenir partícules capaces d’assolir energies cada vegada més elevades: des del seu primer ciclotró de 69 cm de diàmetre, amb el qual  van aconseguir energies de 4.8 MeV, al de 152 cm de diàmetre, que generava energies de 16 MeV. La seua importància en el desenvolupament de la física de partícules va ser tal que li va valdre a Lawrence el Premi Nobel de Física en 1939.

M. Stanley Livingston (esquerra) i Ernest O. Lawrence (dreta) cap al 1934 al costat del ciclotró de 69 cm (27 polzades) de diàmetre a l’antic Radiation Laboratory de la Universitat de Califòrnia, Berkeley. Wikimedia.

Des d’un primer moment, es va explorar la possibilitat d’utilitzar ciclotrons amb finalitats mèdiques. Entre altres coses, perquè les possibles aplicacions mèdiques augmentaven les opcions d’obtenir  el finançament necessari amb què continuar desenvolupant les investigacions. Amb aquest objectiu, Ernest Lawrence va convèncer el seu germà, John H. Lawrence (1904-1991), metge de formació, per a utilitzar el ciclotró de 152 cm de diàmetre. Les partícules d’alta energia que generava aquest aparell podien produir materials radioactius, radioisòtops, que van tractar d’emprar-se amb finalitats terapèutiques. De fet, es té constància que es va utilitzar un isòtop de fòsfor (³²P) per a tractar pacients de leucèmia i es va explorar la possibilitat d’emprar neutrons per a tractar el càncer i crear marcadors per a diagnòstics.

Construcció del reactor B de Hanford (el primer reactor productor de plutoni). Wikimedia.

Aquests treballs es van combinar amb les investigacions físiques realitzades en els ciclotrons, que van portar al descobriment de nous elements químics. Resulta interessant posar de manifest com, en els primers estadis d’aquestes investigacions, ni tan sols els principals protagonistes d’aquesta història, com Ernest Lawrence, s’atrevien a etiquetar la investigació que estaven desenvolupant. Es tractava de física nuclear? De química nuclear? Aquest tipus de qüestions són recurrents en diferents àmbits de la investigació científica de principis i mitjans del segle XX, tal com demostra també la cristal·lografia de raigs X o la microscòpia electrònica, àrees de coneixement en què van convergir científics de diferent formació i que no sols posen de manifest la importància que van anar adquirint les aproximacions interdisciplinàries a diferents qüestions, sinó també els límits que imposaven les disciplines científiques tradicionals, que van haver de renegociar-se amb el pas del temps i a conseqüència de la consolidació d’aquestes noves branques del coneixement.

Discurs del president estatunidenc Dwight D. Eisenhower davant l’Assemblea General de les Nacions Unides (1953). Eisenhower Presidential Library.

La investigació realitzada amb ciclotrons va adquirir especial rellevància durant la Segona Guerra Mundial, en particular a partir dels treballs de bombardeig d’urani (²³⁸U) amb deuterons, cosa que generava nuclis de neptuni (²³⁸Np) i al seu torn —per desintegració beta— nuclis de plutoni (²³⁸Pu). La detecció d’aquest isòtop del plutoni va suposar, precisament, el descobriment d’aquest element químic. Un descobriment que es va mantenir inicialment en secret perquè resultava un element crucial (especialment el ²³⁹Pu) per a la producció d’armes nuclears. Al mateix temps, els ciclotrons van ser emprats també com a espectròmetres de masses per a facilitar la separació d’isòtops de ²³⁵U i ²³⁸U i avançar així en la possibilitat de construir les bombes tan anhelades.

Els diferents usos dels radioisòtops, especialment les seues aplicacions mèdiques, ens recorden algunes iniciatives com el programa Àtoms per a la Pau; un programa vinculat a la figura del president nord-americà Dwight Sr. Eisenhower (1890-1969) i la seua famosa intervenció davant l’Assemblea General de les Nacions Unides, en la qual va advocar per la creació d’un Organisme Internacional per a l’Energia Atòmica. Aquest organisme es va plantejar com una agència per a donar ajuda, suport i estabilitat a projectes civils en temps de pau basats en l’energia atòmica. Es tractava, no obstant això, d’una iniciativa pacifista i humanitària? No hi ha dubte que l’energia nuclear permetia desenvolupar aplicacions mèdiques i que els usos civils, com la possibilitat d’establir centrals nuclears, semblaven obrir una porta al desenvolupament dels països més necessitats. Per no parlar de les múltiples aplicacions dels isòtops radioactius en diferents branques de la indústria (des de la indústria del petroli i del gas natural fins a la indústria minera i la metal·lúrgia aplicada, passant per la indústria tèxtil, del paper, del vidre i la ceràmica, alimentària, farmacèutica, etc.). No obstant això, tal com alguns autors han posat de manifest, es va tractar més aviat d’una campanya propagandística amb la qual canviar la percepció negativa que de l’energia nuclear s’havia projectat després del llançament de les bombes sobre Hiroshima i Nagasaki, així com d’una estratègia per a consolidar l’hegemonia de la indústria atòmica nord-americana al món.

Pedro Ruiz-Castell
IILP-UV

Com citar aquest article:
Ruiz-Castell, Pedro. El ciclotró. Sabers en acció, 22-02-2021. https://sabersenaccio.iec.cat/el-ciclotro/.

Per a saber-ne més

Pots ampliar la informació amb la bibliografia i recursos disponibles.