lunes, 25 de enero de 2016

Café y un video con neutrones...

moka

En 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 llamadaagua 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. 

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