El experimento
El esquema anterior corresponde exactamente a la distribución de aparatos del banco de medida utilizado por Marie Curie en los trabajos de su tesis, que se visualizar en el Museo Curie.
Sobre la mesa experimental están situados los seis elementos que intervienen: la cámara de ionización CI, la batería de polarización B2, el generador de corriente piezoeléctrico GP (un cuarzo montado como generador de carga, de la manera que se describe en la ficha correspondiente), el electrómetro de cuadrantes EC, el interruptor IN y el cronómetro CR (Figura 1).
Con objeto de estudiar detalladamente el proceso de medida, hemos sustituido su esquema original por otro similar, pero más apropiado para utilizar animaciones.
A continuación recrearemos un proceso típico de medida de los realizados por Marie Curie. Antes de comenzar el experimento se coloca la cantidad de material radiactivo sobre la placa inferior de la cámara y se carga el cuarzo piezoeléctrico con masa de 300 gramos suspendida en el platillo que estira el cristal. El interruptor se encuentra cerrado, con lo cual las dos armaduras del aparato se encuentran a tierra. Asimismo la placa positiva de la cámara se encuentra a tierra y el voltímetro en corto.
En el instante en que se inicia el experimento (Animación 1) se abre el interruptor y, simultáneamente, se pone en marcha el cronómetro.
La corriente de ionización en la cámara produce una disminución de la carga en ambas armaduras.
Los iones positivos que llegan a la placa inferior de la cámara neutralizan su carga negativa, pero ésta es sustituida inmediatamente por electrones provenientes de la batería.
Simultáneamente los electrones que llegan a la placa positiva de la cámara van neutralizando las cargas positivas iniciales (que no pueden reponerse al estar aislada de tierra por la resistencia infinita del electrómetro) y su potencial se hace negativo; esto hace que se mueva la aguja del electrómetro (Figura 2) en la dirección correspondiente (en el experimento de Curie lo que se desvía es el punto de luz reflejado sobre la regla translúcida).
En este instante Marie aplica una leve fuerza hacia arriba (Animación 2) para disminuir el peso que soporta el platillo del cuarzo piezoeléctrico, que en la animación pasa de 300 a 200 gramos. Esto disminuye las cargas de superficie del cristal y libera la carga positiva necesaria para compensar la que ha perdido la placa superior por efecto de la corriente de electrones de ionización, volviendo a 0 voltios la lectura del electrómetro. La importancia de mantener la lectura del voltímetro a cero es que así se asegura que la corriente que va desde la armadura positiva del cuarzo a la placa superior de la cámara es siempre constante y la tensión entre placas permanece igual a la de polarización suministrada por las pilas.
El proceso continúa hasta que la pesa no ejerce ninguna fuerza sobre el platillo, siendo imposible mantener la aguja del electrómetro a 0 voltios. En ese momento se para el cronómetro, que supondremos que marca 200 segundos.
Como conocemos exactamente la carga inicial del cuarzo piezoeléctrico, 6·10-10 Culombios, y el tiempo transcurrido, 200 segundos, es fácil calcular la corriente: 3·10-12 Amperios.
Esta corriente nos indica fielmente la actividad de la muestra radiactiva.
A continuación (Figura 3) incluimos una página de los carnets de la découverte donde Marie anotó las corrientes de ionización expresadas en picoamperios, de diferentes muestras. Una última palabra sobre las desviaciones del valor de la corriente en torno al valor medio. Como hemos visto, el papel del operador consiste en mantener la indicación del electrómetro a cero, actuando como un dispositivo de realimentación negativa sobre la fuente de corriente. Si la carga que adquiere la placa positiva de la cámara aumenta sobre el valor de reposo se ejerce menos fuerza hacia arriba sobre la pesa, y si la carga disminuye se aumenta la fuerza hacia arriba, de manera que la carga liberada por el piezoeléctrico sea exactamente igual a la de la corriente iónica generada por la radiación. En el caso del montaje original, la sensibilidad del aparato de medida era 40 milivoltios por centímetro de desviación en la regla transparente que Marie tiene delante de ella (Figura 4).
Esto quiere decir que el error en la carga es de 4 pico culombios (4·10-12 Culombios).
Como la cámara tiene una capacidad de 0,3 picofaradios, los 40 milivoltios equivalen a una carga de 1,2·10-14 Culombios, lo que representa un error menor del uno por mil para una desviación de 1 centímetro en la regla transparente.
Si se añade a esto el que las variaciones de la señal luminosa fluctuarían en torno al cero podemos decir, aunque la amplitud de las fluctuaciones alcanzase los 5 centímetros, que el error de la medida es inferior al 1%.
Fuentes y Bibliografía
- BECQUEREL, H. Recherches sur une propriété nouvelle de la matière : activité radiante spontanée ou radioactivité de la matière. 1903. Medical Heritage Library. Internet Archive.
- BOUQUET, A. Radioactivité: Les Curie. [Septiembre 2014].
- CHÉNEVEAU, C. Méthode et appareils de mesure de la radioactivité. Le Radium. 1904.
- CURIE, M. Traité de radioactivité. Radioactivity Vol. 2. Paris, Gauthier. 1910
- CURIE, P. & CURIE, M. Papiers. I — ŒUVRES ET TRAVAUX SCIENTIFIQUES. 1898. BNF
- RUTHERFORD, E. Uranium Radiation and the Electrical Conduction Produced by It. Philosophical Magazine. 1899.
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