El ciclotrón

—Un objetivo fundamental de la física del siglo XX fue poner partículas subatómicas a dar vueltas y vueltas cada vez más rápido.—

Uno de los instrumentos fundamentales para investigar en el ámbito de la física atómica y nuclear es el ciclotrón. Un ciclotrón es un tipo de acelerador de partículas, de trayectoria circular, capaz de imprimir un movimiento en espiral cada vez más veloz a partículas subatómicas cargadas como, por ejemplo, los protones. Las partículas, que se mueven en el vacío siguiendo una trayectoria curva gracias al efecto de un campo magnético uniforme, son aceleradas paulatinamente a partir de las oscilaciones de alta frecuencia que generan un campo eléctrico oscilante. El desarrollo del ciclotrón estuvo motivado, en gran medida, por las ventajas que presentaba este tipo de acelerador sobre los aceleradores lineales, puesto que permitía acelerar las partículas sin necesidad de emplear altos voltajes y en repetidas ocasiones, hasta conseguir partículas con altas energías que podían ser utilizadas como proyectiles para bombardear núcleos atómicos y estudiarlos. De este modo, por ejemplo, se podían producir radioisótopos, es decir, átomos con un núcleo inestable que emiten radiación durante su transición hacia una forma más estable.

Principios y diseño de un ciclotrón (Ernest Lawrence, 1934). Wikimedia.

El ciclotrón fue desarrollado por los estadounidenses Ernest O. Lawrence (1901-1958) y M. Stanley Livingstone (1905-1986) a principios de la década de 1930. Si bien es cierto que con anterioridad existieron iniciativas similares ideadas para acelerar electrones, como los trabajos del físico noruego Rolf Widerøe (1902-1996) o las patentes presentadas por el físico húngaro Leo Szilard (1898-1964), fueron Lawrence y Livingstone quienes lograron diseñar y construir el primer instrumento de estas características capaz de transferir a las partículas una energía suficiente como para provocar la desintegración de núcleos atómicos. Convencido de las aplicaciones de este tipo de máquina, Lawrence promovió la creación de un laboratorio destinado a perfeccionar y mejorar las prestaciones del nuevo instrumento. Fue así como se creó el Radiation Laboratory de la Universidad de California en Berkeley (posteriormente rebautizado en la década de 1970 con el nombre de Lawrence Berkeley Laboratory, en honor a su primer director), una instalación que resultó crucial para el posterior éxito del Proyecto Manhattan. De hecho, varios autores han defendido la idea de que el desarrollo del ciclotrón abrió las puertas a lo que posteriormente se conoció con el nombre de Big Science. No en vano, durante la década de 1930 Lawrence y su equipo se esforzaron por lograr aparatos de un diámetro cada vez mayor con los que conseguir partículas capaces de alcanzar energías cada vez más elevadas: desde su primer ciclotrón de 69 cm de diámetro, con el que lograron energías de 4.8 MeV, al de 152 cm de diámetro, que generaba energías de 16 MeV. Su importancia en el desarrollo de la física de partículas fue tal que le valió a Lawrence el Premio Nobel de Física en 1939.

M. Stanley Livingston (izquierda) y Ernest O. Lawrence (derecha) hacia 1934 junto al ciclotrón de 69 cm (27 pulgadas) de diámetro en el antiguo Radiation Laboratory de la Universidad de California, Berkeley. Wikimedia.

Desde un primer momento se exploró la posibilidad de utilizar ciclotrones con fines médicos. Entre otras cosas porque las posibles aplicaciones médicas aumentaban las opciones de obtener la financiación necesaria con la que seguir desarrollando las investigaciones. Con ese objetivo, Ernest Lawrence convenció a su hermano John H. Lawrence (1904-1991), médico de formación, para utilizar el ciclotrón de 152 cm de diámetro. Las partículas de alta energía que generaba este aparato podían producir materiales radiactivos, radioisótopos, que trataron de emplearse con fines terapéuticos. De hecho, se tiene constancia de que se utilizó un isótopo de fósforo (³²P) para tratar a pacientes de leucemia y se exploró la posibilidad de emplear neutrones para tratar el cáncer y crear marcadores para diagnósticos.

Construcción del reactor B de Hanford (el primer reactor productor de plutonio). Wikimedia.

Estos trabajos se combinaron con las investigaciones físicas realizadas en los ciclotrones, que llevaron al descubrimiento de nuevos elementos químicos. Resulta interesante poner de manifiesto cómo, en los primeros estadios de estas investigaciones, ni siquiera los principales protagonistas de esta historia, como Ernest Lawrence, se atrevían a etiquetar la investigación que estaban desarrollando. ¿Se trataba de física nuclear? ¿De química nuclear? Este tipo de cuestiones son recurrentes en diferentes ámbitos de la investigación científica de principios y mediados del siglo XX, tal y como demuestra también la cristalografía de rayos X o la microscopía electrónica, áreas de conocimiento en las que convergieron científicos de diferente formación y que no solo ponen de manifiesto la importancia que fueron adquiriendo las aproximaciones interdisciplinares a diferentes cuestiones, sino también los límites que imponían las disciplinas científicas tradicionales, que tuvieron que renegociarse con el paso del tiempo y como consecuencia de la consolidación de estas nuevas ramas del conocimiento.

Discurso del presidente estadounidense Dwight D. Eisenhower ante la Asamblea General de las Naciones Unidas (1953). Eisenhower Presidential Library.

La investigación realizada con ciclotrones adquirió especial relevancia durante la Segunda Guerra Mundial, en particular a partir de los trabajos de bombardeo de uranio (²³⁸U) con deuterones, lo que generaba núcleos de neptunio (²³⁸Np) y a su vez —por desintegración beta— núcleos de plutonio (²³⁸Pu). La detección de este isótopo del plutonio supuso, precisamente, el descubrimiento de este elemento químico. Un descubrimiento que se mantuvo inicialmente en secreto puesto que resultaba un elemento crucial (en especial el ²³⁹Pu) para la producción de armas nucleares. Al mismo tiempo, los ciclotrones fueron empleados también como espectrómetros de masas para facilitar la separación de isótopos de ²³⁵U y ²³⁸U y avanzar así en la posibilidad de construir las tan ansiadas bombas.

Los diferentes usos de los radioisótopos, en especial sus aplicaciones médicas, nos recuerdan algunas iniciativas como el programa Átomos para la Paz; un programa vinculado a la figura del presidente norteamericano Dwight D. Eisenhower (1890-1969) y su famosa intervención ante la Asamblea General de las Naciones Unidas, en la que abogó por la creación de un Organismo Internacional para la Energía Atómica. Dicho organismo se planteó como una agencia para dar ayuda, soporte y estabilidad a proyectos civiles en tiempos de paz basados en la energía atómica. ¿Se trataba, sin embargo, de una iniciativa pacifista y humanitaria? Qué duda cabe que la energía nuclear permitía desarrollar aplicaciones médicas y que los usos civiles, como la posibilidad de establecer centrales nucleares, parecían abrir una puerta al desarrollo de los países más necesitados. Por no hablar de las múltiples aplicaciones de los isótopos radiactivos en diferentes ramas de la industria (desde la desde la industria del petróleo y del gas natural hasta la industria minera y la metalurgia aplicada, pasando por la industria textil, del papel, del vidrio y la cerámica, alimenticia, farmacéutica, etc.). Sin embargo, tal y como algunos autores han puesto de manifiesto, se trató más bien de una campaña propagandística con la que cambiar la percepción negativa que de la energía nuclear se había proyectado tras el lanzamiento de las bombas sobre Hiroshima y Nagasaki, así como de una estrategia para consolidar la hegemonía de la industria atómica norteamericana en el mundo.

Pedro Ruiz-Castell
IILP-UV

Cómo citar este artículo:
Ruiz-Castell, Pedro. El ciclotrón. Sabers en acció, 2021-02-22. https://sabersenaccio.iec.cat/es/el-ciclotron/.

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