Átomos y Alquimia (IX). El caso Nagaoka

En 1887, Hantaro Nagaoka se graduaba en la universidad Imperial de Tokio, recibiendo su Doctorado en 1893. Poco después viajaría por Europa para estudiar en las universidades de Berlín, Munich y Viena. Participó en el año 1900 en el Congreso Inaugural Internacional de Fïsica, celebrado en París, un congreso donde Pierre y Marie Curie presentaron su trabajo sobre la radioactividad, descubierta tan sólo cinco años antes, en 1895, por Becquerel. El creciente interés por la radiactividad y por el átomo fueron dos hechos que orientaron su más que brillante carrera posterior en el campo de la Física. Durante los años en que Nagaoka estuvo en Europa, J. J. Thompson descubrió el electrón (era 1897). En 1904, tras volver Nagaoka a Japón, Thompspn propuso su modelo estructural del átomo, conocido como “plum pudding model”, o “blueberry muffin model”. Este modelo propuesto consistiría, básicamente, en asignar una carga eléctrica negativa a los electrones (que Thompson llamó “corpúsculos”), estando distribuidos dentro de una esfera de carga positiva uniforme, moviéndose libremente.

Por el contrario, el modelo atómico de Nagaoka, propuesto en Nature en 1904, consiste en una carga central positiva rodeada por electrones (de carga negativa) orbitando alrededor. Así lo describiría:

“El sistema consiste en un gran número de partículas de igual masa colocadas en un círculo en intervalos angulares idénticos, y repeliéndose unos a otros con fuerzas inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las partículas; en el centro del círculo está situado una gran partícula, atrayendo a las otras partículas, formando el anillo de acuerdo a la misma ley de fuerza… Evidentemente el sistema aquí considerado estará completo si nosotros colocamos electrones negativos en el anillo y una carga positiva en el centro.”

De la misma manera, en el Philosophical Magazine del mismo año de 1904, Nagaoka propuso la misma estructura del átomo, que incluía, como hemos dicho, electrones orbitando una carga central positiva, pero ya sobre la base de hallazgos experimentales de la regularidad de líneas espectrales características de los átomos. Nagaoka no usaba entonces el término “núcleo”, sino “carga positiva central”, o “partícula de gran masa” en el centro del átomo. No sería hasta siete años después, en 1911, cuando se empieza a usar, una vez que Rutherford descubriera dicha carga positiva en el centro. Tras el experimento de Rutherford de 1911 con lanzamiento de partículas alpha, éste dio crédito al postulado de Nagaoka y su modelo “saturnino”. Finalmente, su modelo atómico fue el precursor de los modelos que luego propusieran el mismo Rutherford, Bohr, y de los modelos actuales.

El 29 de marzo de 1924, el profesor Hantaro Nagaoka (1865-1950), junto a otros colegas suyos de la Universidad Imperial de Tokio, tales como Yoshikatsu Sugiura, Tsunesaburô Asada (1900-1984)^[1] y T. Machida,  describieron sus estudios «sobre los isótopos del mercurio y el bismuto revelados en los satélites de sus líneas espectrales» ¾ de oro en particular. En septiembre de 1924, los nuevos ensayos ya fueron dirigidos directamente a la transmutación del mercurio:

“El experimento sobre la transmutación de mercurio se inició en septiembre de 1924, con la asistencia de los Sres. Y. Sugiura, T. Asada y T. Machida. El objetivo principal era determinar si la visión que expresamos en NATURE el 29 de marzo de 1924 puede realizarse aplicando un campo eléctrico intenso a los átomos de mercurio. Otro objetivo era encontrar si los cambios radioactivos pueden acelerarse por medios artificiales. Desde el principio, estaba claro que para este propósito es necesario un campo de muchos millones de voltios/cm. De nuestra observación sobre el efecto Stark en arcos de diferentes metales (Jap. Journ. Phys., Vol.3, pp. 45-73) encontramos que con los glóbulos de plata el campo en un espacio estrecho muy cerca del metal era casi de 2×10⁵ voltios/cm. con un voltaje terminal de aproximadamente 140. La presencia de un campo tan intenso indica la posibilidad de obtener la intensidad deseada del campo para la transmutación, si se aplica una tensión de terminal suficiente. Aunque la relación de aumento anterior se vería disminuida con el alto voltaje, se pensó que el experimento valía la pena intentarlo, incluso si no pudiésemos efectuar la transmutación con el aparato que teníamos a mano.^[2]

En mayo de 1925, informaron algunos de los detalles técnicos: Nagaoka y sus compañeros de trabajo descargaron aproximadamente 15 x 104 voltios / cm durante 4 horas entre el terminal de tungsteno y mercurio bajo una capa dieléctrica (aislante) de aceite de parafina. Usaron la prueba de Purple of Cassius para detectar oro en el residuo viscoso de Carbono, Mercurio, etc. La masa negra se purificó al vacío, luego mediante combustión con oxígeno y extracción con cloruro de hidrógeno para recoger el oro, ya fuera en solución de agua regia o similar, o en puntos rojos como rubí. En otras ocasiones se encontraron películas microscópicas de oro. ^[3]

Nagaoka declaró que cuando se pasaba una descarga a través de gotas de mercurio que caían entre los electrodos de hierro, se observaba la formación de plata y otros elementos. Otro trabajo ejecutado en una lámpara de mercurio durante más de 200 horas a 226 voltios produjo un miligramo de oro, más algo de platino. Señaló que: «para estar seguro de la transmutación, la purificación repetida de mercurio por destilación en el vacío a temperaturas inferiores a 200 ° C es esencial».

Las consideraciones de los satélites de las líneas espectrales de Hg llevaron a Nagaoka a la conclusión de que un protón está «ligeramente separado» del núcleo de mercurio, y se puede eliminar:

“Si la suposición anterior en cuanto al núcleo de mercurio es válida, tal vez podamos realizar el sueño de los alquimistas atacando un protón de hidrógeno del núcleo mediante rayos alpha, o mediante algún otro método poderoso de disrupción [para producir oro del mercurio^][4].

Lo mismo que Miethe y Stammreich, los experimentos de Nagaoka no pudieron ser refutados. Y la idea de un núcleo capturando un electrón se convirtió en algo generalmente aceptado. Desde sus investigaciones sobre la transformación de mercurio en oro, Nagaoka se convirtió en el pionero en demostrar el potencial de la transmutación, como diría años después Enrico Fermi en su libro, tras ser premiado con el Premio Nobel en 1938 por sus demostraciones de la existencia de muchos y nuevos elementos radiactivos producidos por la captura de un neutrón.

El objetivo de Nagaoka de convertir mercurio en oro se puede realizar con normalidad, aunque no es económicamente rentable, ya que se necesita un reactor nuclear. Los átomos estables de mercurio (Hg¹⁹⁶), presentes en la Naturaleza en el 0.15% de forma natural, pueden ser irradiados con neutrones lentos en un reactor nuclear para crear un isótopo inestable de mercurio (Hg¹⁹⁷). Los átomos de Hg¹⁹⁷ se degeneran por la captura del electrón, y tienen una vida media de 64.1 horas, tras lo cuál pasan a formar parte el átomo estable del oro (Au¹⁹⁷). La reacción puede ser ilustrada como sigue:

Inspirándose en los trabajos de Miethe y Stammreich, que finalmente nunca pudieron ser refutados, el profesor de la de la Universidad de Ámsterdam Arthur Smits y su ayudante A. Karssen, afirmaron haber transmutado el plomo en mercurio y talio en 1924^[5]. El método era poner plomo puro en un tubo de cuarzo y calentarlo.  Luego se aplicaban altas corrientes eléctricas de forma intermitente a través del vapor del plomo que se producía en el tubo. Se fotografiaba el espectro de la luz. Al principio este espectro mostraba las típicas líneas del plomo. Según se iban aplicando las corrientes (que eran de 30-35 amperios/8 vatios) las líneas se iban haciendo más débiles y más tenues, mientras que las líneas características del Talio y del Mercurio se iban haciendo más gruesas en el espectro ultravioleta, y totalmente claras a las seis horas.

Se deducía, pues, que el plomo se  estaba transmutando en mercurio. Las explicaciones de Smits eran sencillas e impresionantes, a la vez. Aunque el mundo científico recibió esto de forma esquiva, no pareciendo que el experimento de Smits tuviera una aceptación general. Más allá de realizar algún otro colega la repetición del experimento, la sensación general era que la evidencia de la formación del mercurio era puramente espectral, y ya por entonces, los espectros ya podían ser trucados. O al menos Smits pudo haber encontrado la forma de presentar un truco inesperado^[6].

Pero en 1926 Smits y Karssen reportaron más desarrollos de su protocolo experimental. La lámpara de cuarzo fue resideñada y antes de ser usada fue examinada por el espectroscopio para verificar que no tuviera ninguna traza de Mercurio o de Talio. Los investigadores también llevaron a cabo experimentos con una atmósfera de Nitrógeno y con diferentes presiones (atmosféricas), ayudándose de un líquido dieléctrico (en realidad, un aislante de Disulfuro de Carbono, CS₂), con 100 kW/2 mA durante 12 horas. El mercurio fue detectado químicamente, así como también Yoduro, el común íón del Yodo tan abundante en la sal. Resultados similares fueron los obtenidos con 160 kW/20 mA. Se repitieron seis veces y en todos ellos el resultado fue la obtención de entre 0.1 y 0.2 miligramos de mercurio. Así lo explicaron en su artículo “Una descomposición del átomo de plomo”^[7].

Los demás colegas que hablaron de esta transmutación no quisieron dar su brazo a torcer y sospecharon que el CS₂ podría contener alguna traza de algún compuesto orgánico de mercurio. Pero no. De alguna manera, los resultados positivos seguían obteniéndose, incluso después de haber purificado todo previamente. Smits ofreció una explicación:

₈₂Pb → ₈₀Hg + ₂He

Para el caso de la transmutación de Plomo en Talio, Smits dio una explicación un tanto incómoda y poco realista del proceso:

₈₂Pb + ₁p→ ₈₀Tl + ₂He

Poco después de estos experimentos se reportaron nuevos problemas sobre el mismo que mostraban que el fenómeno que se daba lugar en la lámpara de cuarzo y plomo eran, al final, extravagantes, que dependían de “factores desconocidos” que hacían que la transmutación no era tan fácil de hacer como decía Smits. Así, en el mismo año de 1926, Frank Horton (1878-1957) y Anna Catherine Davies, cuando aún era su ayudante para convertirse luego en su esposa, dijeron que ellos habían fracasado en sus intentos de repetirlos^[8].

De cualquier forma, los artículos científicos sobre transmutaciones de plomo en mercurio llegaron a ser una moda a mediados de la década de 1920. Incluso el propio Smits también dio su opinión sobre la “producción artificial” de mercurio en oro^[9]. Pero por alguna extraña razón, estos experimentos no tuvieron continuidad, al menos tan públicamente, llegando a ser un tema prácticamente desaparecido hacia 1927. De todas maneras, esta línea de investigación sigue estando abierta, y las preguntas que los experimentos de convertir el plomo en mercurio generaron siguen sin respuesta hoy día^[10].

Incluso el estudiante de investigación de Soddy, Friedrich Adolf Paneth (1887-1957), que había trabajado con él en su laboratorio de Glasgow de 1911 a 1913, y cuyo trabajo con el húngaro George de Hevesy (1885-1966) en el Instituto de Viena de Investigación del Radio sobre trazadores radiactivos ayudó a ganar al propio Hevesy el Premio Nobel de Química de 1943, se involucró en el resurgimiento de los esfuerzos de transmutación de los químicos. Collie, Patterson y las afirmaciones anteriores a la guerra de Masson sobre la transmutación de helio y neón también revivieron brevemente, esta vez a manos de R. W. Riding y E. C. C. Baly, quienes explicaron que la producción de helio tiene «su origen en la desintegración del átomo de nitrógeno».^[11]

Como digo, la prensa retomó nuevamente el entusiasmo por la transmutación alquímica y, una vez más, la colocó directamente dentro del campo de la Química. Cuando Current History informó sobre los resultados de Paneth y Peters, proclamó:

«A través de los tiempos, el alquimista ha mantenido la esperanza de cambiar lo indeseable en lo deseable Como el sucesor de la mística de la Edad Media existe el Químico Moderno, trabajando en nuevos campos donde la Física y la Química se encuentran».^[12]

Aunque el artículo concedió a Rutherford el mérito de la única transmutación ampliamente aceptada por los científicos, (quizás no sorprendentemente) identificó incorrectamente a Rutherford como químico y, algo engañosamente, afirmó que la transmutación de Rutherford pareciera como un proceso químico de eliminación de un elemento de un compuesto: «Ya la transmutación ha sido reivindicada por varios investigadores, y al menos en un caso el mundo generalmente acepta el hecho de que la transmutación se ha logrado. Sir Ernest Rutherford, el químico británico, hace una década “noqueó” a H (que representa el elemento químico hidrógeno) de muchos de los elementos más ligeros, incluyendo nitrógeno, boro, flúor, sodio, aluminio y fósforo».^[13]

Pero, como revela Egerton, los intentos de Paneth de transmutar hidrógeno en helio mediante el uso de paladio resultaron ser un error: «Desde estos experimentos, Paneth ha encontrado que la transmutación no tiene en cuenta el helio formado, pero esa fuga a través del vidrio (que se supone poroso) explica sus resultados». Se lamentó también que el trabajo de Baly sobre las transmutaciones requiriendo la presencia de nitrógeno también hubiera fallado. Egerton concluye que la fuga a través del vidrio caliente o en las llaves de paso son la clave de los gases raros supuestamente producidos por la transmutación en estos experimentos.^[14]

Recordemos que Egerton se había involucrado con Ramsay justo cuando Ramsay comenzaba a pensar seriamente sobre la transmutación. Tras haber tenido una entrevista con Ramsay en la casa de este último a finales de 1903 en que los dos discutieron las transmutaciones de radio en helio^[15], Egerton comenzó sus estudios en el University College en octubre de 1904. Asistió a las conferencias de Ramsay cuando éste regresó de su viaje de 1904 a América, durante el cual, recordemos, había dado su famosa conferencia sobre el posibilidades transmutacionales de la nueva ciencia y visitó el laboratorio alquímico de R. M. Hunter para ver sus experimentos de transmutación de plata a oro. Ramsay, nos recuerda Egerton, estaba lleno de optimismo sobre la posibilidad de transmutar:

“Su optimismo le llevó a menudo al objetivo deseado. Cualquier crítica puesta en su contra de su optimismo debe ser dejada de lado, sin él no hubiéramos tenido a Sir William, ni ¡helio! Recuerdo tres ocasiones en que se anunciaron que nuevos gases se habían descubierto (no publicadas): una vez, en una cena de laboratorio, cuando Coates obtuvo lo que se creía que era Coronium, una vez cuando un elemento aparentemente fue cambiado por radio, y otra cuando juntos obtuvimos una pequeña traza de gas residual del bombardeo de azufre con rayos catódicos. El espectro de este último resultó ser un espectro inusual de mercurio; lo que los otros fuesen, nunca  lo supe. No hay duda de que su entusiasmo no tenía límites considerando la cadena de descubrimientos exitosos y de época que hizo”.^[16]

Egerton incluso formó parte del último de los experimentos de transmutación de Ramsay en su casa de Londres, y después de partir hacia Alemania en 1914, publicó a regañadientes un documento con resultados que negaron su propio trabajo con Ramsay. De todas maneras, Egerton en la década de 1920 alargó el programa alquímico de su maestro, Ramsay, “desvistiendo” y construyendo átomos de una manera muy parecida a la de Ramsay. Aunque los experimentos de Ramsay y la consiguiente avalancha de químicos transmutando habían sido ambos defectuosos, Egerton todavía tenía esperanzas para el proyecto y por la apuesta de la Química. Egerton quiso manifiestamente que los experimentos de Ramsay tuvieran éxito, admitiendo que «de todos modos, quedan puntos que todavía están difícil de explicar». Es más, dijo que «no hay duda de que los átomos serán descompuestos y reconstruidos en algún momento en el futuro, y el primero en ir a ese territorio sin ser seguido fue Sir William Ramsay. La prueba de la conversión espontánea de la emanación en helio era un descubrimiento que maldijo el camino. No se puede decir que los últimos intentos de transmutación fueron un falso camino, ya que formarán un terreno desde el cual, mediante experimentos cuidadosos, los esfuerzos hechos se renovarán»^[17].

Tal era la pasión por su maestro que no hay en este relato mención alguna de las exitosas y persuasivas transmutaciones de Rutherford en 1919 de nitrógeno en el Laboratorio Cavendish, ni del tipo de pensamiento sobre la instrumentación que conduciría a John D. Cockcroft (1897-1967) y Ernest T.S. Walton (1903-1995) en el Cavendish o Ernest Lawrence en California para crear los aceleradorers de protones y ciclotrones con los que desintegrar los núcleos de manera más efectiva. Egerton mismo, como los demás químicos que revivieron años después los experimentos de transmutación, estaba eludiendo e incluso ignorando los éxitos de estaban consiguiendo los físicos. La Química perdería la titularidad de la teoría atómica en favor de la Física Nuclear en una lucha fronteriza que había comenzado a finales de siglo. Pero la causa fue la propia frontera creada al traer nociones alquímicas en contacto con el ya visto como un subcampo: el de Química-Física (que nunca llegó a ser un área concreta). Dicha sub-área había establecido la transmutación como eje central de la agenda de actuación de la nueva ciencia atómica.

Pero aquí no todo fue negativo. En última instancia, la Física-Química ayudó a crear un cambio de paradigma, uno que se movió hacia una comprensión de los átomos y los elementos alejados de los conceptos daltonianos del siglo anterior. Sin embargo, el resurgimiento de las afirmaciones de los químicos en la década de 1920 de haber sintetizado oro a partir del mercurio, siguiendo el trabajo de Miethe en Berlín, provocó una ansiedad pública inesperada durante los inestables años de la post-guerra.

Y lo hizo, sobre todo en las  preocupaciones económicas; concretamente en el impacto y las repercusiones que la “alquimia moderna” tendría sobre el patrón-oro. Aunque parezca increíble, la “alquimia moderna” tuvo un papel más que relevante en el reino de la economía y la teoría monetaria que se habría de generar. El oro era la referencia en que se basó el valor de las monedas de un país. Por tanto, cuanto más oro tuviera ese país, más segura y más valor tendría dicha moneda. O sea: más poderoso era dicho país. Pero todo acabaría viniéndose abajo, como veremos en el siguiente post. El respaldo de la moneda de un país dejó de ser creíble porque todos tenían a un supuesto alquimista haciendo oro para su respectiva nación. Incluso aparecieron facturas de compra de oro alquímico por el Tesoro americano, y sus depósitos en Fort Nox.

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[1] De 1926 a 1928 se graduó en Física en el berlinés Schöneberg de Helmstrasse, 3, especializádose en Óptica y electricidad en 1966. Luego volvió a Japón y fue profesor de la Univwersidad de Osaka hasta 1945. Hartmann, R., Japanische Studenten an der Berliner Universität (1920-1945), Berlín, Mori-Ôgai-Gedenkstätte der Humboldt-Universität zu Berlin, 2003.

[2] Nagaoka, H., «Preliminary Note on the Transmutation of Mercury into Gold», Nature 116 (1 de julio de 1925), 95.

[3] Nagaoka, H.: Naturwiss. 13: 682-684 (1925); «Transmutation of Hg into Au»; ibid., 14: 85 (1926); Nature 114: 197 ( 9 August 1924); ibid., 117 (#2952): 758-760 (29 May 1926

[4] Nagaoka, H.: Journal de Physique et la Radium 6: 209 (1925), Science 61 (#1581), 17 April 1925; «The Transmutation of Hg»

[5] Smits, A., “Transmutation of elements”, Nature, 117 (2 de enero de 1926), 13-15 ; Smits, A. y Karssen, A., « The transmutation of elements », Nature, 134 (Febrero de 1926), 80-81.

[6] Así se sugería en “Another Alchemist Appears”, Popular Radio, IX-4 (abril de 1926), 373. Ver también: “The New Alchemy Fails to Make Gold”, Popular Radio, VII-6 (diciembre de 1925), 577-578. Anon. “The Present Position of the Transmutation Controversy”, Nature, 117 (1926), 758–760.

[7] Smits, A. y Karssen, A., „Ein Zerfall des Bleiatoms“, Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie, 32 (diciembre de 1926), 577-586.

[8] Davies, A. C.; Horton, F. “The transmutation of elements”, Nature, 117 (30 de enero de 1926), 152: “In a letter to Nature of January 2, 1926, Prof. Smits records the obtaining of evidence of the transmutation of lead into thallium and into mercury. One of our research students has been employed for some time in an attempt to detect the transmutation of lead into thallium, but up to the present the experimental difficulties have not been satisfactorily overcome, and we are not yet able to make a definite statement on the matter as a result of this work. The experiments so far attempted in this Laboratory, and those contemplated in future efforts, have been designed to facilitate the entry of an electron into the nucleus of a lead atom in the hope of effecting a transmutation into an isobare of another element (thallium), rather than to bring about a transmutation by the ejection of a proton or α-particle from the nucleus of the lead atom”.

[9] Smits, A., „Über die Angebliche Darstellung „künstlichen” Goldes aus Quecksilber“, Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 155-1, (20 de Agosto de 1926), 269–272.

[10] A este respecto, ver: Editorial, Science-Supplement,62-1602 (1925), 14; Editorial, Science-Supplement, 63-1623 (1926), 10; Editorial, Nature, 117-2952 (1927), 758–60 y Thomassen, L. Nature-Cartas al Director, 119-3005 (1927), 813: Transmutation of elements: “PROF. A. SMITS, in a letter in NATURE of Jan. 2, 1926, announced the possibility of transmuting lead into thallium and mercury. In the December number of Zeits.f. Elektrochem. these experiments are described in more detail by Smits and Karssen. They used a quartz tube, furnished with two steel electrodes with carbon points, which dip down into the liquid lead. The amount of lead used is about 900 grams, which is kept liquid in a side tube all the time. When an experiment is performed, the tube is tipped and the lead is brought over into the main tube. The arc which is burning between two inner surfaces of lead is either continuous or intermittent, the main consideration being to obtain as high a current density as possible. The first method gave strong spectroscopic evidence of mercury and thallium after 10 hours’ burning at ±35 amp. The second is the so-called sparking method, in which a current of 60–100 amp. can pass through the tube at the make of the arc, that is, when the tube is short-circuited through the liquid lead. Here all the mercury lines, even the very weak ones, were present after 9^1/4 hours’ sparking”.

[11] Riding, R. W., y E.C.C. Baly, “The Occurrence of Helium and Neon in Vacuum Tubes”, Proceedings of the Royal Society, Serie A, 109 (1 de septiembre de 1925), 186–93.

[12] Watson, D., “Cathode Ray a New Tool of Science”, Current History, 25 (Diciembre de 1926), 392–396.

[13] Watson, D., “Cathode Ray…, 393.

[14] Egerton, A. C. G., “Notes on Transmutation Experiments.” Ms. 1927. Sir William Ramsay Papers, University College, London, 1927, 2-3.

[15] Egerton, A. C. G., Sir Alfred Egerton F.R.S. 1886–1959: A Memoir with Papers. Privately printed for Lady Egerton by the Curwen Press, Plaistow, 1963, 127.

[16] Egerton, A. C. G., Sir Alfred Egerton…, 129.

[17] Egerton, A. C. G., “Notes on Transmutation Experiments.” MS. 1927. Sir William Ramsay Papers, University College, London, 1927, 3.