Café y un video con neutrones

mokaEn mis primeros años de universidad, uno de los mejores aliados en las largas noches de estudio, además de buenos compañeros de estudio, era una vieja cafetera moka. Nunca antes había visto una y admito que me costó comprender cómo funcionaba, a pesar de que entre ejercicios de cálculo y electromagnetismo mis compañeros me explicaron muchas veces que el agua hierve y sube pasando a través del café gracias a la presión del vapor. Esta animación ilustra el proceso bastante bien. Una de las muchas locas ideas surgidas en las largas discusiones y elucubraciones fruto de mucho café tarde en la madrugada fue la siguiente: sería espectacular que la cafetera moka fuese transparente para ver directamente cómo funciona. Sin embargo, estas clásicas cafeteras se fabrican de aluminio, el que no es transparente para la luz visible.

Neutrones constituyen junto a los protones el núcleo de los átomos. Como su nombre lo indica, los neutrones no poseen carga eléctrica (son neutros) lo que los convierte en interesantes partículas para estudiar materiales ya que no son afectados directamente por fuerzas eléctricas. Esto permite que los neutrones posean una gran capacidad para penetrar materiales. Alrededor del mundo, algunos de los más importantes laboratorios en el estudio y uso de neutrones incluyen el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza, el Instituto Laue-Langevin (ILL) en Francia y el Laboratorio Rutherford Appleton (ISIS) en el Reino Unido. Hace unos años visité PSI y describí algunas de sus áreas de investigación que incluyen física nuclear, estudios en física de energía, ingeniería nuclear tanto en el diseño de reactores como en la producción de energía, tratamiento de cáncer con protones, biología y química ambiental.

Uno de los usos más importantes de los neutrones es la división de núcleos atómicos, proceso que fue descrito por primera vez por la gran física austriaca Lise Meitner y su sobrino Otto Frish, al que bautizaron como fisión nuclear, por la similitud con la idea de división celular en biología. En las condiciones apropiadas, neutrones pueden producir una reacción en cadena fisionando cada vez más núcleos atómicos. Neutrones muy rápidos en este proceso son el principio básico de las armas nucleares, sin embargo cuando se mueven más lento estos neutrones pueden liberar energía nuclear de manera controlada, sentando las bases del funcionamiento de un reactor. Durante el Proyecto Manhattan, reactores nucleares fueron desarrollados para fabricar plutonio, ingrediente central en bombas como la usada en la Prueba Trinity y la que devastó la ciudad de Nagasaki. En esta época se sabía que para fabricar un reactor era necesario usar neutrones lentos, para lo que se necesitaba un moderador, es decir, un material para frenar neutrones. Un moderador muy común es agua (H2O), ya que neutrones son fuertemente dispersados por los núcleos de los átomos de hidrógeno, con lo que ceden energía y así disminuyen su velocidad. En aquellos violentos tiempos de guerra se conocía una forma de agua llamada agua pesada (D2O) que sería incluso más eficiente que el agua común para moderar neutrones. En el agua pesada, el simple hidrógeno (H) es reemplazado por una forma de hidrógeno con un neutrón extra en su núcleo llamado deuterio (D). Este neutrón extra incrementa la masa del átomo y por ello al D2O se le llama agua pesada. Durante la Segunda Guerra Mundial, cuando Hitler ocupó Noruega sus fuerzas se instalaron en la planta de agua pesada llamada Norsk Hydro, lo que confirmaría las temidas sospechas de los aliados que científicos alemanes tenían su propio programa nuclear. La historia del agua pesada de Norsk Hydro es fascinante, recomendable para cualquier persona que le interese la historia de los programas nucleares durante la Segunda Guerra Mundial.

La capacidad del agua para frenar neutrones implica que el agua no es transparente a los neutrones. Esta “transparencia” está relacionada con una propiedad llamada sección eficaz (cross section en inglés) que es muy usada en física de partículas para cuantificar la probabilidad de interacción entre partículas o en general entre una partícula y un material. Por esto, la sección eficaz de un neutrón depende de la composición del material en el cual el neutrón se mueve. Elementos como hidrógeno poseen una sección eficaz alta, por esto el agua es un buen moderador en reactores nucleares, en cambio materiales como el aluminio poseen una sección eficaz pequeña, lo que significa que neutrones pueden atravesar aluminio como si fuese transparente. Aquí volvemos a la loca idea descrita antes: sí, el aluminio no es transparente a la luz visible pero sí a los neutrones, por lo que si fuese posible filmar un video con neutrones en vez de fotones sería posible “ver” una cafetera moka en funcionamiento.

esquema

El laboratorio de neutrones de PSI posee una intensa fuente de llamados neutrones fríos, es decir, neutrones que se mueven muy lento. Allí a alguien se le ocurrió instalar una cafetera moka y filmar su funcionamiento usando neutrones. En el video puede verse claramente la estructura de aluminio como si fuese transparente y el agua como un fluído oscuro. Es importante insistir que el agua es transparente para la luz visible pero no para los neutrones, por eso se ve como un fluido oscuro.

Este video es simplemente sensacional, lo he agregado a mi lista de videos favoritos. Usando neutrones fríos extraídos de un reactor nuclear, físicos en ILL también tienen su propio video de un café en preparación en una cafetera moka. Estos videos me dejan claro al fin el cómo funciona la cafetera moka y además que no soy el único que quería ver su interior en funcionamiento.

El uso de neutrones para generar estas imágenes no es sólo por diversión, técnicas avanzadas de radiografía y tomografía con neutrones son usadas en el estudio en tiempo real de motores así como estudios 3D de fósiles, insectos, plantas y reliquias arqueológicas. PSI mantiene una página con muchas explicaciones además de imágenes y videos.

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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10 respuestas a Café y un video con neutrones

  1. Hola Jorge,
    Últimamente me pregunto si vale la pena el tiempo que empleo en divulgar cuando hay tantos divulgadores espléndidos que llegan a mucha más gente. Entonces me veo enlazada en uno de los blogs que más admiro y siento que algo estoy haciendo bien. Y me hace muy feliz.
    Muchas gracias, otra vez.

    • Jorge Diaz dijo:

      Ni se te ocurra dejar de contar esas historias con ese estilo tan personal que sirven como excelentes artículos para enlazar y recomendar a los lectores interesados.

  2. isatita dijo:

    Genial el video!!, lo usaré en mis clases de 3º de la ESO. Lo del funcionamiento de la cafetera es, como el de la olla a presión, de esas cosas cotidianas que me gusta que sean capaces de entender y explicar y, ahora con este video podrán visualizarlo! Otra cosa es entender lo de los neutrones…., pero por eso mismo me parace aún más interesante mostrarlo, sería también una excusa para hablar de los protones, neutrones y electrones que forman los átomos, y no solo como una cosa más que hay que ver porque viene en el currículum.
    No obstante, se me escapa la comprensión de lo que estamos viendo, quiero decir, la imagen está tomada con luz visible?, si estuviésemos delante de esa cafetera bombardeada con esos neutrones lentos, la veríamos así, o la imagen está hecha con filtros…, son como esas imágenes que llegan de las estrellas tomadas con diferentes radiaciones y que las vemos coloreadas por “arte de magia”? vamos, que no tengo ni idea, si podéis ilustrar un poco a esta humilde profe de secundaria ;-))
    Gracias!!

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola isatita,
      concuerdo contigo en eso de que cosas cotidianas pueden enseñarnos mucho y en especial pueden motivar a nuestros estudiantes. Comentarios y consultas de profesores son siempre bienvenidas.
      La imagen del video fue obtenida con neutrones no con luz visible. La idea es similar a una radiografía pero usando neutrones en vez de rayos X. La muestra se ubica entre la fuente de neutrones y un detector que funciona como una pantalla donde la muestra es proyectada, sólo los neutrones que atraviesan la muestra llegarán al detector. He actualizado el artículo agregando un esquema simple de la manera en que la imagen fue capturada además de un link a una página con videos, imágenes y explicaciones.

      • isatita dijo:

        Muchas gracias!, ahora si, con el esquema que has añadido ya lo he visto claro, pero es que cuando he visto el video, la cafetera transparente, esa nitidez en los bordes, las burbujas… no entendía bien lo que estaba viendo, pensaba que si la cafetera se veía a través de una cámara con filtros especiales, como las que permiten ver la radiación infrarroja, ahora me parece un poco tonto por mi parte no haber pensado en que al hablar de materiales transparentes y opacos realmente la imagen se obtiene por detrás del objeto como su “sombra de neutrones”, sería como una “neutrón-grafía” en movimiento …si se me permite el palabro.

  3. Genial el artículo y el nombre, no tenia idea que se podía hacer eso con neutrones, creo que ese video no puede ser obtenido por rayos x al ser el aluminio un conductor, luego los electrones serian desplazados por el fuerte campo eléctrico produciendo multitud de chispas similar al CD en el microondas aparte de funcionar como jaula de faraday.¿Me equivoco?. Saludos.

  4. Buena columna Jorge. Desde ahora mis café ya no serán lo mismo jajaja
    Fuera de broma, la verdad sorprendido por lo que se puede hacer con los neutrones.
    Feliz de leerte siempre. Saludos.

  5. Ed Thraves dijo:

    Excelente columna Jorge, muy interesante, en especial para mi que soy estudiante de Tecnología Médica con mención en Radiología y Física Médica. Ahora, puede que sea fuera de lugar lo que voy a escribir (aunque tiene que ver con neutrones de todas maneras), pero quería aprovechar la instancia para realizar una pequeña consulta: en un reactor nuclear, luego de que un neutrón interactúa (choca) con un núcleo pesado, se producen 2.5 neutrones (aproximadamente) y dos núcleos más ligeros y distintos. Esto genera reacciones en cadena que son controladas o se pueden obtener radioisótopos para uso médico. Pero, qué sucede con estos nuevos núcleos ligeros y distintos producidos en la fisión, por ejemplo, los dos núcleos producidos a partir de Uranio 235? Interactúan con los demás neutrones liberados, corresponden a material de desecho radiactivo o simplemente no son de importancia en el generador? A lo mejor, podria llegar a ser obvia la respuesta pero me gustaría saber que dice un experto en el tema. Saludos!

  6. radiactivoman dijo:

    ¡Rayos y retruécanos!

    Yo siempre he visto las cafeteras de esa forma, así que más que visión de rayos X lo que tengo es visión de neutrones. 😊
    Me ha encantado lo que has contado, lo recomendaré a mis alumnos.
    Por cierto, veo que no tienes activa la opción para que podamos dar un “me gusta”. ¿A propósito o por casualidad?

    Un saludo.

  7. Albert dijo:

    El video es genial, gracias por compartirlo

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