A finales del siglo XIX en la Ville Lumière, Maria Sklodowska-Curie, una aspirante a científica de origen polaco, realizó junto con su marido, Pierre Curie, un descubrimiento que tuvo un papel esencial en la revolución de la ciencia de comienzos del siglo XX.
Marie Curie y el camino hacia el descubrimiento
Maria Sklodowska-Curie acababa de entregar el informe final de su trabajo sobre la imantación de los aceros templados cuando nació su hija Irène en septiembre de 1897. Pero ni ella ni su marido se plantearon la posibilidad de que la llegada al mundo de la nueva personita pusiera punto final a la incipiente carrera científica de la madre primeriza. Muy al contrario, cuando se recuperó del parto, Marie, como era conocida en Francia, se marcó un reto mucho más ambicioso: obtener el grado de doctor en Física, algo que no había conseguido ninguna mujer en los más de seiscientos años de historia de la Universidad de la Sorbona.
Una tesis doctoral sobre los rayos de Becquerel
Lo primero que tuvo que decidir fue a qué dedicaría su tesis. Podía haber optado por seguir la brillantísima estela de su marido en alguno de los campos en los que él había destacado: la piezoelectricidad, el magnetismo o la simetría de los cristales. Pero no fue así, porque ella también había sucumbido a «la fiebre de los rayos» que afectó a muchos científicos a finales del siglo xix, de modo que estudiaría los rayos uránicos que había descubierto Henri Becquerel en febrero de 1896.
Condiciones de trabajo en el laboratorio improvisado
Una vez elegido el tema, necesitaba un laboratorio donde trabajar. Parte de los estudios de la imantación de los aceros los había realizado en la Escuela Municipal de Física y Química Industrial (empci) de París en la que trabajaba Pierre Curie como profesor e investigador. El director de la Escuela, Paul Schützenberger, que sentía debilidad por Pierre, no pudo negarse a que la esposa de su protegido trabajara en su centro. Pero cuando Marie se disponía a comenzar su tesis doctoral, el benévolo profesor había muerto y las relaciones de Pierre con el nuevo director, Charles-Marie Gariel, no eran especialmente buenas.
A pesar de ello, Gariel no solo no tuvo inconveniente en prolongar la heterodoxa presencia en la Escuela de una mujer que no tenía vinculación profesional con la misma, sino que la autorizó a que usara de forma exclusiva un local que había sido almacén y sala de máquinas. No sabemos si Marie se sintió decepcionada cuando vio el que iba a ser su laboratorio, un cobertizo de madera acristalado, sin ventilación para gases tóxicos, que se llenaba de goteras cuando llovía y cuyo único sistema de calefacción era una estufa que llenaba de hollín toda la estancia. En cualquier caso, no perdió el tiempo en lamentaciones y se puso a trabajar para acondicionarlo.
El misterio de los rayos
Mientras Pierre y ella avanzaban en los preparativos, vieron como todos los científicos que se habían interesado por los rayos uránicos iban abandonando su estudio ante la imposibilidad de encontrar una explicación razonable para su origen. Porque, aparentemente, se emitía energía —los rayos— sin haberla captado previamente, lo cual era imposible según todos los principios físicos. Pero esa incongruencia no los desanimó, y siguieron buscando posibles formas de desentrañar el misterio de los rayos.
A partir de los estudios realizados por Becquerel y por Lord Kelvin — el patriarca de la ciencia inglesa y uno de los primeros admiradores de Pierre—, se sabía que los rayos tenían la capacidad de ionizar el aire, es decir, de convertirlo en un conductor de la electricidad. Becquerel utilizó esa propiedad para intentar cuantificar la intensidad de los rayos empleando un electroscopio, pero el método era muy poco preciso y Becquerel no llegó a ninguna conclusión.
Capacidad de ionizar el aire
Lord Kelvin fue más allá y empleó un electrómetro de cuadrantes, pero este aparato tampoco era lo suficientemente sensible. Los Curie también estaban convencidos de que la clave para abordar el estudio de los rayos estaba en su capacidad de ionizar el aire, por lo que continuaron la búsqueda de un dispositivo lo suficientemente sensible para medir las pequeñísimas corrientes eléctricas generadas en el aire ionizado.
Pierre tuvo la genial idea de combinar el electrómetro de cuadrantes con la balanza de cuarzo piezoeléctrico que había desarrollado para la tesis doctoral de su hermano Jacques, obteniendo un nuevo aparato que permitía medir corrientes eléctricas extraordinariamente débiles en una cámara de ionización. ¡Ya sabían cómo abordar el problema!
Con un prototipo de este dispositivo construido con material de desecho de la empci, —por ejemplo, la cámara de ionización era una lata de conserva vacía—, Marie comenzó a hacer medidas el 16 de diciembre de 1897 (justo tres meses después del nacimiento de Irène). Como tenía que compensar las cargas emitidas por los rayos uránicos con la masa que añadía a la balanza de cuarzo piezoeléctrico, en el laboratorio decían que «pesaba» los rayos uránicos.
Los compuestos del uranio
De entrada Marie midió todos los compuestos del uranio que había en los laboratorios de la empci y confirmó lo que había observado Becquerel: que los rayos eran una propiedad intrínseca del uranio y que su emisión no dependía del tipo de compuestos que formaba ni del estado de agregación, —sólido, líquido o gas— en el que estos se encontraran. También confirmó la observación de Becquerel de que la intensidad de los rayos era proporcional a la cantidad de uranio presente en las muestras, por lo que la mayor actividad la presentaba el uranio puro.
Como Marie pensó que era improbable que solo un elemento de la tabla periódica presentara esta propiedad, decidió comprobar si otros elementos emitían rayos parecidos a los uránicos. Para ello midió todos los elementos puros y las aleaciones que había en la empci, tras lo cual decidió ampliar su campo de estudio a los minerales del Museo de Historia Natural de París. Sin duda, esta fue una de sus intuiciones más geniales, pues, al no limitarse al estudio de compuestos puros de composición química conocida, Marie pudo encontrar nuevos cuerpos que emitían rayos.
Lo primero que descubrió fue que los compuestos del elemento químico torio presentaban emisión espontánea de rayos similares a los compuestos de uranio. Envió a la Academia de Ciencias francesa una comunicación con estos resultados en la que ella era la única autora, que fue presentada en su nombre por el profesor Lippmann el 12 de abril de 1898.
Resultados anómalos, nuevos campos de trabajo
Para entonces Marie estaba absorta en otro descubrimiento que había realizado el 17 de febrero: dos minerales de uranio, la chalcolita y la pechblenda, eran mucho más activos que el uranio puro, lo que contradecía sus descubrimientos anteriores de que la actividad era proporcional a la cantidad de uranio. En los días posteriores a este descubrimiento, las anotaciones se multiplicaron en sus diarios de laboratorio porque repitió los experimentos y revisó el funcionamiento y la precisión de sus aparatos de medida comprobando que todo estaba bien.
Para ella, estos resultados anómalos, que muchos científicos habrían descartado al resultar incomprensibles, abrían un nuevo y apasionante campo de trabajo. Estaba tan fascinada que consiguió arrastrar a Pierre a colaborar con ella. «Al formular hipótesis sobre las razones para ello, solo se me ocurrió una explicación: aquellos minerales debían de contener alguna sustancia desconocida muy activa. Mi marido estuvo de acuerdo, así es que le apremié a que buscáramos juntos la hipotética sustancia, ya que si sumábamos esfuerzos obtendríamos resultados antes».
Su marido le hizo caso y a partir del 18 de febrero de 1898 también comenzó a anotar resultados en el diario de laboratorio de su mujer tras abandonar sus propias investigaciones.
Estos diarios son una prueba del ambiente tan tóxico en el que trabajó el matrimonio: aún hoy, más de un siglo después de que fueran escritos, sigue estando prohibido su manejo sin protección.
El polonio: la misteriosa sustancia desconocida
Para identificar la «sustancia desconocida muy activa», Marie tenía que procesar la pechblenda de forma diferente a como se hacía para extraer el uranio; tenía que ir en pos de un elemento químico desconocido de cuya existencia solo tenía indicios por los rayos que emitía. Para realizar este proceso, Pierre solicitó la ayuda de Gustave Bémont, profesor encargado del laboratorio de química en la empci, que los instruyó en el método clásico de identificación y separación química de cationes por vía húmeda (disolviendo las muestras en disoluciones ácidas acuosas).
Este no fue el primer encuentro de Marie con la química, pues ya había estudiado esta ciencia en el Museo de Agricultura de Varsovia bajo la supervisión de Napoleon Milicer gracias a la ayuda de su primo Jozef Boguski. Marie combinó el método químico de separación de cationes con la medida de la intensidad de los rayos emitidos, inventando una nueva técnica de análisis, la radioquímica. Repitiendo numerosas veces el ciclo de separación química, fue obteniendo porciones con una concentración de la especie radiactiva cada vez mayor, llegando a obtener una muestra cuya actividad era cuatrocientas veces superior a la del uranio puro. Este resultado confirmaba la hipótesis de Marie de la existencia de una nueva sustancia, desconocida hasta entonces, mucho más activa que el uranio.
Radioactividad
Con esos resultados enviaron a la Academia de Ciencias francesa una comunicación firmada por Marie y Pierre Curie, que fue presentada por Henri Becquerel el 18 de julio de 1898. En su título aparecía una palabra nueva acuñada por Marie: «radiactividad», vocablo de raíz latina que significa «que emite rayos». En la comunicación afirmaban que de la extraordinaria actividad mostrada por la chalcolita y la pechblenda deducían que ambos minerales contenían un nuevo elemento químico mucho más activo que el uranio, para el que proponían el nombre de polonio en memoria del país (entonces inexistente) de ella.
Pruebas químicas y físicas
Dada la pequeñísima concentración del nuevo elemento —motivo por el que no había sido detectado hasta entonces—, se necesitaban ingentes cantidades del mineral que lo contenía para aislar una cantidad que permitiera hacer las pruebas químicas y físicas que confirmaran su existencia. Por ello los Curie comenzaron a buscar fuentes de pechblenda, encontrando que las principales reservas europeas se encontraban en las minas de Joachimsthal, en Bohemia, hoy Chequia.
Tras procesar una primera partida de pechblenda, Marie llegó a la conclusión de que el polonio estaba en los residuos del mineral que quedaban tras haber extraído el uranio, por lo que no tenían valor comercial. Ello fue un alivio, porque no habrían tenido dinero para pagar un mineral valioso, pero se les planteó otro problema económico: necesitaban trasladar toneladas del residuo del mineral hasta París, y ellos tenían que pagar el transporte.
Afortunadamente, en julio de 1898 la familia tuvo un ingreso inesperado: la Academia de Ciencias de París le concedió a Marie el Premio Gegner, dotado muy generosamente, por su estudio de las propiedades magnéticas de los aceros y por sus incipientes trabajos sobre la radiactividad. Gracias a ese ingreso, los Curie pudieron pagar el porte y a finales de año Marie recibió alborozada un gran cargamento de residuos de pechblenda que se habían acumulado durante años a las afueras de la mina mezclados con agujas de pino. El suelo donde se almacenaron estos residuos junto a la empci sigue siendo hoy tan radiactivo que no puede usarse ni para aparcamiento.
Llega el radio
Cuando retomaron el trabajo de investigación, les esperaban nuevas sorpresas: con ayuda del químico Bémont descubrieron que había una nueva especie radiactiva cuyas propiedades químicas eran completamente distintas a las del polonio. De hecho eran muy parecidas a las del bario, uno de los elementos del grupo 2 de la tabla periódica, mientras que el polonio tenía propiedades parecidas al bismuto, que se encuentra en el grupo 15. Marie, Pierre y Gustave Bémont enviaron una nueva comunicación a la Academia de Ciencias francesa el 19 de diciembre de 1898 cuyo título era Sobre una nueva sustancia fuertemente radiactiva contenida en la pechblenda, en la que denominaban al nuevo elemento «radio».
El trabajo que realizó Marie en el cobertizo donde las disoluciones se contaminaban con las goteras cuando llovía forma parte de la leyenda. Marie tenía que salirse al patio para procesar toneladas del material que le había llegado de Joachimsthal en porciones de hasta veinte kilogramos, calentados en enormes calderos que removía con una barra de hierro tan alta como ella. Puede que el hecho de verse obligada a trabajar al aire libre y en un laboratorio muy mal aislado le salvara la vida, porque la libró de aspirar gran parte de los vapores tóxicos que se desprendían en el proceso, tanto de los ácidos y bases que usaba en el tratamiento químico, como del mortal radón, el gas radiactivo que se producía por la desintegración del radio, de cuya existencia aún no se tenía conocimiento.
La comprensión del núcleo atómico
Tras infinitos procesos de separación, por cada tonelada de residuo de pechblenda de Joachimsthal, Marie obtuvo entre 10 y 20 kilogramos de sulfatos que incluían una pequeña proporción de radio. Al procesarlos, obtuvo un precipitado de cloruro de bario y cloruro de radio que consiguió aislar mediante cristalización fraccionada. En la muestra que contenía la mayor cantidad de cloruro de radio, la radiactividad llegó a ser un millón de veces superior a la del uranio puro. Su hija Irène, gran conocedora del trabajo de su madre, resume el protagonismo de Marie con estas palabras: «Es fácil discernir que fue mi madre quien no tuvo miedo de lanzarse sin personal, sin dinero, sin suministros y usando un almacén como laboratorio a la abrumadora tarea de concentrar y aislar el radio».
Aunque el esfuerzo físico, que al principio realizó casi en solitario, debió de ser extraordinario, lo auténticamente sorprendente de este proceso fue la intuición de una investigadora novata graduada en Física y Matemáticas. Porque, finalmente, fue Maria Sklodowska-Curie la mente genial que supo combinar el descubrimiento de los rayos de Henri Becquerel, con las medidas de conductividad (reflejo de la radiactividad) realizadas con el aparato construido por Pierre y con el método de separación química en el que se hizo maestra con ayuda de Bémont. Así fue como descubrió dos nuevos elementos químicos, el polonio y el radio, y un fenómeno, la radiactividad, que abrieron la puerta a un mundo nuevo, el del núcleo atómico, que habría de alterar para siempre la vida sobre la Tierra.
