XIII Carnaval de la Física: Marie Curie en el borde entre la física y la química

“Radiactividad” fue como bautizó Marie Curie a un nuevo campo del conocimiento, entonces entre la física y la química, el estudio de las substancias que emiten radiación (activas en radiación). En 1903 obtuvo el Premio Nobel de Física, junto a Pierre Curie y Henri Becquerel, y en 1911 el Premio Nobel de Química, en solitario. Marie nació en Varsovia, Polonia, el 7 de noviembre de 1867 y bautizó como “polonio” al primer elemento que descubrió en 1898 junto a Pierre en honor a su patria natal (en dicho artículo también bautizó como “radiactividad” lo que algunos llamaban “hiperfosforescencia”). Los esposos Curie estudiaron la radiación recién descubierta por Becquerel en el uranio y fueron capaces de aislar nuevos elementos químicos, el ya mencionado polonio, el radio y, junto a André Debierne, el actinio. El radio era la sustancia más radiactiva de todas las conocidas (entonces) y su nombre proviene de “radiactividad” y no al revés. Los esposos Curie combinaron ciencia e industria y ya en 1904 colaboraron con químicos industriales en la producción de elementos radiactivos para aplicaciones médicas e industriales. Los rayos X de Röntgen, primer Premio Nobel de Física de la historia, iluminaron la imaginación de los médicos, que también vieron grandes esperanzas en la radiactividad, esperanzas que se cristalizaron en la radiología. Hay muchas biografías de Marie Curie pero hoy destacaré la de José Manuel Sánchez Ron, “Marie Curie y su tiempo,” Drakontos, 2000 (la edición de bolsillo de 2009 es muy barata pero hay que tener buena vista por su tipografía liliputiense). Esta entrada será mi primera contribución para la XIII Edición del Carnaval de la Física, organizada en esta ocasión por los padres de la criatura en la blogosfera en español, Carlo y Roi, en su blog Gravedad Cero.

La radiografía de la mano de la señora Röntgen dio la vuelta al mundo. Incluso llegó a España, un país subdesarrollado en lo que a la investigación en física se refiere. El 10 de febrero de 1896, Eduardo Lozano y Ponce de León, catedrático de Física de la Universidad de Barcelona, impartió una conferencia sobre sus trabajos en los rayos X en la Academia de Ciencias y Bellas Artes. José Echegaray, polifacético Premio Nobel de Literatura de 1904, también se hizo eco en 1896 del enorme efecto en el público general que produjo la “mano espectral” de la señora Röntgen.

El francés Henri Becquerel, hijo y nieto de físicos, decidió estudiar los rayos X utilizando sales de uranio, siguiendo la estela de su padre, y descubrió un nuevo tipo de radiación, la fosforescencia invisible. Eclipsados por los rayos X de Röntgen, los rayos de Becquerel atrajeron poca atención. Marie Curie buscaba un tema de tesis doctoral y se enamoró de los rayos de Becquerel. Decidió buscar dichos rayos en otras substancias diferentes del uranio. Marie examinó un gran número de metales, sales, óxidos y minerales. Descubrió que los compuestos de torio eran tan activos como los de uranio y, además, que dos minerales, la pechblenda y la calcolita, eran más activos que el uranio. Ella pensó que contendrían algún otro elemento mucho más activo que el uranio y los esposos Curie dedicaron todos sus esfuerzos a descubrirlo. La pareja se complementaba a la perfección. Pierre era más físico que químico y se encargaba de medir la “actividad” de los rayos (gracias a electrómetro de gases piezoeléctrico que desarrolló antes de conocer a Marie), mientras Marie, más química que física, se encargaba de separar y aislar los elementos constitutivos de cada material “activo.” El 18 de julio de 1898 publicaron el descubrimiento del polonio y el 26 de diciembre de 1898 el del radio. André Debierne, junto a los Curie, aisló el actinio en 1900. El radio era 3000 veces más activo que el uranio pero era muy difícil de obtener; tras cuatro años de trabajo los Curie solo pudieron separar 100 miligramos (la cabeza de una cerilla) de radio bastante puro a partir de varias toneladas de mena de uranio. El peso atómico del radio fue determinado por los Curie en 1902 como 225 (hoy sabemos que es 226) aunque en realidad no era radio sino cloruro de radio; el radio puro se aisló por primera vez en 1910 por Marie y André (Pierre falleció en 1906). No extraña entonces que el radio era mucho más caro que el oro y el diamante; en 1921, por ejemplo, un gramo de radio costaba 100.000 dólares.

Nos cuenta  Sánchez Ron que el matemático Gösta Mittag-Leffler desempeñó un papel muy importante para que Marie Curie fuese premiada con su primer Premio Nobel. Su elección hubiera sido dudosa debido a que una carta de la Academia de Ciencias francesa firmada por los tres miembros extranjeros de la Academia Sueca para la concesión del premio, Henri Poincaré, Eleuthère Mascart y Gaston Darboux, y por Gabriel Lippmann proponía para el premio solo a Henri Becquerel y Pierre Curie (sin mencionar para nada a Marie). Se cree que ella quedaba fuera de la propuesta porque no era académica (y nunca lo sería). Sólo Charles Bouchard propuso la candidatura conjunta de Becquerel y los dos Cuire. Sin embargo, Mittag-Leffler (amigo y protector de Sofia Kovalevskaïa), uno de los pocos científicos de entonces que estimaban y animaban el trabajo de las mujeres, no veía ningún motivo para que Marie no fuera incluida entre los premiados. Por ello, informó a Pierre de los detalles de las deliberaciones (que se suponía que eran secretos) y éste envió la tesis doctoral de Marie a Suecia junto a una carta afirmando que sus descubrimientos eran mutuos. En paralelo, Mittag-Leffler logró que Poincaré cambiara de idea y enviara una carta a Suecia destacando el papel de Marie Curie. Finalmente, la mitad del Premio Nobel de Física de 1903 fue concedido a Becquerel y la otra mitad, a partes iguales, a los dos esposos Curie.

Sánchez Ron en su libro destaca en su libro la gran polémica que supuso la concesión, por primera vez, de un segundo Premio Nobel a un científico, que además, era mujer, Marie Curie, aunque esta vez fuese el de Química. No porque Marie no hiciera importantes contribuciones a la química, ya que la radiactividad en sus inicios era tanto física como química (por ejemplo, Ernest Rutherford obtuvo el Premio Nobel de Química en 1908, aunque hoy lo estudiemos en los libros de texto de Física). Sino porque Marie solo recibió dos nominaciones (candidaturas) para el premio (quizás porque ya había recibido un premio Nobel y nadie imaginaba que alguien pudiera llegar a recibir dos). Nadie puede saber lo que hubiera pasado si Pierre Curie hubiera estado vivo. La propia Marie en su conferencia Nobel afirmó que “el trabajo químico que tenía como meta aislar el radio al estado de sal pura y de caracterizarlo como un nuevo elemento, fue efectuado especialmente por mí, pero se encuentra íntimamente ligado a la obra común” (junto a su marido) y este Premio Nobel “constituye así un homenaje a la memoria de Pierre Curie.” De hecho, Pierre es el laureado con el Nobel de Física que ha muerto más joven (a los 47 años).

El Carnaval de la Física cumple un año, anímate y participa

Carlo Ferri, “Un concurso internacional busca creativos para el logo del Carnaval de la Física,” Gravedad Cero, 8 nov. 2010.

¡El Carnaval de la Física celebra su primer año de vida! Volverá a casa y se celebrará en el blog Gravedad Cero. Quien quiera participar debe enviar el enlace de su contribución a: carlo [arroba] gravedad-zero.org (la fecha límite para la presentación de las contribuciones está fijada para el 25 de noviembre). Este mes de noviembre para celebrar el AÑO INTERNACIONAL DE QUÍMICA 2011 declarado por la ONU, serán más bienvenidas las aportaciones que pongan de relieve la relación entre física y química. Obviamente el tema no es vinculante sino sólo una sugerencia y todos pueden escribir sobre temas de la física y de la manera que estiméis más conveniente. Además, para celebrar este aniversario se ha abierto un concurso internacional de ideas para desarrollar el nuevo logo institucional del Carnaval de la Física, todo un evento internacional de divulgación científica. El objetivo es el de identificar un elemento gráfico capaz de transmitir de manera inmediata la identidad y el mensaje del Carnaval de la Física. ¿Cómo participar? El concurso está dirigido a diseñadores, dibujantes y agencias de comunicación que podrán presentarse de manera individual o asociada. El plazo para presentar los trabajos está fijado para la medianoche del 27 de noviembre de 2010. Más información en el blog Gravedad Cero o de primera mano escribiendo a: info [arroba] gravedad-cero.org

La fluidodinámica de cómo bebe agua un gato o un felino

Un gato bebe agua a lametazos pegando “bocados” al agua. Bebentocando el agua con la punta de la lenguaproduciendo una columna de líquido que crece por inercia y luego “muerden” reteniendo cierta cantidad de agua en su boca y cayendo el resto del líquido. El secreto de esta forma de beber es un equilibrio entre dos fuerzas: la gravedad y la inercia del fluido. Roman Stocker (MIT, EE.UU.) y sus colegas han desarrollado un modelo matemático fluidodinámico que han validado gracias a vídeos de alta velocidad de su propio gato y de un modelo mecánico de la formación de la columna líquida. El modelo predice la frecuencia de los “lametazos” de un felino en función de su masa corporal. Analizando vídeos de felinos salvajes (guepardos, leones, trigres, etc.) han verificado que las predicciones de su modelo son correctas. El artículo técnico es Pedro M. Reis, Sunghwan Jung, Jeffrey M. Aristoff, Roman Stocker, “How Cats Lap: Water Uptake by Felis catus,” Science, Published Online November 11, 2010 [copia .mit.edu gratis del artículo]. La noticia ha aparecido en muchos medios, pero ha sido meneada la de Vanesa Rodríguez, “La sofisticada forma de beber de los gatos: usan la gravedad y la inercia,” RTVE.es, 11 nov. 2010; también recomiendo Pedro Reis, “El secreto de la lengua de los gatos. Un gato utiliza la inercia y la gravedad para beber,” El Mundo, 11 nov. 2010. En inglés recomiendo la noticia en el MIT, que incluye fotografías de los gatos utilizados en el estudio así como los vídeos que acompañan la información suplementaria del artículo: en concreto Denise Brehm, “Cats show perfect balance even in their lapping,” MIT News, 11 nov. 2010. La siguiente imagen es de Ed Yong, “How the cat that got the cream then drank it,” Discover Magazine, 11 nov. 2010. 

La dinámica de la columna de líquido puede ser estudiada despreciando las fuerzas viscosas y capilares ya que los números de Reynolds y Bond son grandes (Re > 103 y Bo > 1). La ruptura (pinzamiento) de la columna líquida es debida a la fuerza de la gravedad, en lugar de a la tensión superficial del líquido. Los autores han desarrollado un equipo experimental, un disco que levanta una columna de líquido de forma periódica (ver el vídeo) para verificar estas hipótesis y su modelo matemático basado en leyes de escala. También han filmado a gatos (como el del vídeo) con una cámara de alta velocidad para determinar la frecuencia de “lamido” y el volumen de líquido ingerido. La frecuencia con la que los gatos “lamen” el líquido según los vídeos es de f = 3.5 ± 0.4 Hz, bebiendo alrededor de 0’1 mililitros de líquido cada vez. . Esta frecuencia depende de la masa corporal del felino, cuando más grande es el felino, más lento “lame.” Han verificado esta ley empírica estudiando vídeos de felinos salvajes: león (Panthera leo), tigre (Panthera tigris), jaguar (Panthera onca), ocelote (Leopardus pardalis), guepardo (Acinonyx jubatus), lince (Lynx rufus), y el leopardo (Panthera pardus).

Los perros beben de una forma diferente a los gatos, beben a “cucharadas,” ya que ponen la lengua en forma de cuchara, con una concavidad en la que toman un poco de agua que llevan hasta su boca. El vídeo ilustra la diferencia.