Marie Curie marcó el destino del siglo XX con un humilde laboratorio y un puñado de minerales.

A principios del S. XIX, el gran químico Jacob Berzelius observó la metamictización, o pérdida de la estructura cristalina debida a millones de años de emisión de radiaciones, de algunos minerales de uranio. Aunque no podía explicarla, intuyó que éstos minerales tenían una propiedad especial desconocida, pero haría falta casi un siglo para descubrir el secreto del uranio. En el descubrimiento de la radiactividad jugaron un papel esencial los minerales. Vamos a hacer un sencillo repaso por la Historia temprana del fenómeno físico mas decisivo para nuestra sociedad, que se extiende desde la última década del siglo XIX a la primera del XX.

La “era atómica” comienza en una fecha muy concreta: diciembre de 1895, cuando el físico Wilhelm Roentgen publicó un descubrimiento extraordinario, fruto de un intenso trabajo: cuando se enfoca un haz de electrones en la pared de vidrio de un tubo de vacío, este vidrio resplandece con una bella fluorescencia y emite una radiación sorprendente. Esta radiación es totalmente invisible, se propaga de un modo similar a la luz y atraviesa cualquier objeto que se interponga en su camino. Además impresiona las placas fotográficas al igual que la luz, pero con una propiedad interesante: si se interpone la mano puede observarse la sombra de los huesos en la placa.


Uranio metálico. Se tardaría un siglo desde el descubrimiento del elemento, a finales del siglo XVIII, hasta el descubrimiento de su radiactividad, a finales del XIX. Fue gracias a los minerales de uranilo y su fluorescencia por lo que se descubrió la radiactividad.

Roentgen, que en un principio mantuvo en secreto sus investigaciones por temor a que le tomaran por loco al investigar “la luz invisible que atraviesa paredes”, finalmente envió algunas radiografías que había obtenido, junto con su estudio, a Henri Poincaré. En su carta, Roentgen terminaba con la frase “y ahora el Diablo ha sido liberado”, que resultaría profética, pues era el primer paso en una historia que tendría su punto álgido medio siglo después, al final de la Segunda Guerra Mundial. En enero de 1896, Poincaré expuso a los académicos el trabajo de su colega alemán en una sesión histórica de la Academia de Ciencias de Paris y expuso la hipótesis de que la fluorescencia, la fosforescencia y la emisión de radiaciones invisibles y penetrantes, que llamaron rayos X por su naturaleza desconocida, eran fenómenos asociados.

Becquerel: el pionero que vio la luz del Uranio

Henri Becquerel, que estaba presente en esa sesión, llevaba mucho tiempo estudiando los fenómenos de la fluorescencia y la fosforescencia y rápidamente se puso a trabajar sobre el tema para comprobar si todas las sustancias fosforescentes emitían rayos X. Entre las numerosas sustancias fosforescentes escogió una sal de uranio en sus experimentos: el sulfato doble de uranilo y potasio. Esta elección no es casual: el padre de Henri, Antoine H. Becquerel, había estudiado los minerales  de uranio, observando la fluorescencia y fosforescencia.

Tras “cargar” la sal de uranio por exposición al sol durante unas horas, la colocó sobre una placa fotográfica envuelta en papel negro. Tal como esperaba, la placa quedó impresionada. Al final del día, guardó las placas reveladas junto a una placa virgen y la sal de uranio en un cajón con intención de repetir el experimento, pero al día siguiente el cielo apareció nublado. Tras varios días el sol reapareció y antes de repetir el experimento quiso comprobar el estado de la placa, observando con sorpresa que estaba velada, con la forma del recipiente de la sal de uranio claramente marcada. Comprobó que todos los compuestos y minerales de uranio, incluida la negra uraninita, independientemente de su fosforescencia o fluorescencia, emitían la misma radiación semejante a los rayos X y que llamó rayos uránicos.

La vistosa fluorescencia de muchos minerales de uranio (como en éste caso, autunita de Daybreak bajo luz UV) llevó a pensar que fluorescencia y radiactividad estaban relacionados. Becquerel descubrió que la radiactividad se debía a una propiedad intrínseca del uranio, independiente de la fluorescencia del mineral. 

Becquerel, además, realizó importantes observaciones, como que los rayos desprendidos por el uranio podían volver conductores a los gases (principio sobre el que se crearía el tubo Geiger-Muller). Curiosamente, sus resultados no recibieron mucha atención por parte de sus colegas, que no mostraron ningún interés por los rayos uránicos, con excepción de una joven franco-polaca, que acababa de encontrar un tema perfecto para su tesis doctoral.

Marie Curie: la radiactividad entra en la Historia

En 1897, Marie Sklodowska Curie emprendió el estudio sistemático de la radiación descubierta por Becquerel. Su marido Pierre Curie diseñó para ello el electrómetro y la primera “cámara de ionización”, un tipo de detector que aun se utiliza hoy en día, aprovechando los trabajos sobre piezoelectricidad que había realizado con cristales de cuarzo y el descubrimiento de Becquerel del poder ionizante de la radiación.

Cámara de ionización fabricada por Pierre Curie. Electrónicamente es un condensador cilíndrico. La ionización del aire dentro del cilindro debido a la radiación hace que se produzca una pequeña corriente eléctrica, medible con un aparato sensible llamado electrómetro. Este aparato es el antecesor del famoso contador Geiger y fue fundamental en los descubrimientos de Marie Curie.

Marie Curie examino numerosas sustancias y todos los minerales de la colección de la Escuela de Física y Química de Paris, mas algunas donaciones de amigos (por ejemplo, el famoso químico Moissan la cedió una muestra de uranio metálico) para ver si otras sustancias emiten radiaciones.

Su primer gran descubrimiento fue que el torio emitía también radiaciones análogas a los rayos uránicos de Becquerel. En éste descubrimiento se la adelantó, por apenas dos meses, el físico alemán Gerhard Schmidt, que reportó el descubrimiento de la radiactividad del torio en la Sociedad de Física de Berlín en febrero de 1898, justo antes de que Marie reportara su trabajo en París. No sólo el trabajo de Curie era científicamente superior, sino que Schmidt, quizá siguiendo la tónica de los tiempos, no profundizó ni continuó en la investigación de los materiales radiactivos, dado que la radiactividad no despertó gran interés por los científicos en su momento. Esto dejó el camino libre para que Marie Curie desarrollara su trabajo y comenzara una revolución científica en el siglo XX.

Torio metálico. El descubrimiento de la radiactividad del torio fue crucial para entender la radiactividad como un fenómeno atómico general, no restringido al uranio. A partir de entonces la denominación “rayos uránicos” quedó obsoleta. 

 Los Curie postularon que la radiactividad debía ser una propiedad de determinados átomos y, en segundo lugar, Marie hizo un descubrimiento crucial: la torbernita (lamada calcocita en aquella época) era mucho mas radiactiva que el uranio puro. Para corroborarlo, fabricó una torbernita sintética, pero ésta no era mas activa que cualquier sal de uranio pura o que el uranio metálico (ver tabla anterior). Concluyó entonces que los minerales de uranio deberían contener otros elementos desconocidos más radiactivos que este.


Tabla original del trabajo de Marie Curie publicado por la Academia de Ciencias de París en 1898, donde muestra el estudio sistemático de la radiactividad emitida por minerales y compuestos de uranio. El resultado mas llamativo es respecto a la chalcolita (Torbernita en su denominación actual).  La torbernita natural es casi 6 veces mas radiactiva que la artificial. 

Esta perspectiva apasionante hizo que su marido se uniera a ella y, en 1898, lograron purificar a partir de minerales de uranio una fracción que contenía un tipo de bismuto activo, un nuevo elemento muy radiactivo con propiedades similares al bismuto al que bautizaron polonio. Consiguieron tras este exito que los propietarios de las minas de Joachimsthal, en la República Checa, les cedieran varias toneladas de estériles del procesado de la uraninita, en los que se había extraído la mayor parte del uranio, con lo que ya tenían el primer paso de la laboriosa concentración de los elementos activos. Tras un trabajo extenuante realizado en precarias condiciones, lograron purificar a partir del mineral 1 gramo de radio en forma de cloruro.

Muestra de cloruro de radio (RaCl2) preparada por los Curie. A la derecha, la muestra fotografiada con su propia luminiscencia, debida a la intensísima radiación emitida. El radio es el responsable de que los minerales de uranio sean más radiactivos que sus equivalentes sintéticos.

El momento en el que los dos científicos observan en la penumbra del laboratorio la luminiscencia del radio purificado es uno de los momentos mas famosos de la historia de la Ciencia. El radio era tan activo que desprendía luz y calor y su radiación podía fundir hielo o provocar quemaduras en la piel. Por estos trabajos, Becquerel, P. Curie y M. Curie recibieron el premio Nóbel de Física en 1903, y M. Curie recibió el premio Nóbel de Química en 1911. La puerta a la comprensión de la radiactividad, sus posibilidades practicas y la comprensión mas profunda del átomo había quedado abierta y todo fue a partir de los minerales de uranio.


Aspecto del laboratorio donde Marie Curie realizó su estudio sistemático de la radiactividad de los minerales, gracias a la cámara de ionización basada en el electrómetro que inventó su marido, Pierre. 

No es casual que la torbernita (fosfato de uranilo y cobre) tuviera un papel protagonista en el inicio de la historia de la radiactividad. Es un mineral llamativo, que forma bonitos cristales de color verde, y su presencia en muchos yacimientos de cobre se conoce desde hace mucho tiempo. A diferencia de la autunita, la torbernita no es fluorescente, debido a un efecto de apantallamiento o quenching por el cobre, lo que la hizo interesante en los primeros estudios sobre radiactividad llevados a cabo en la década de 1890.

Torbernita (fosfato de cobre y uranilo), mineral fundamental en el descubrimiento de la radiactividad.

Minerales y el inicio de la Era del Uranio en España

Ya en 1801 se cita la presencia de torbernita en las minas de Colmenar Viejo y Naranjo en 1862 la cita como  laminillas y cristales en las minas de cobre de Torrelodones. En 1864, Casiano del Prado señala la presencia de minerales de uranio ampliamente distribuidos en la provincia de Madrid. La presencia del uranio en la sierra madrileña era conocida prácticamente desde que Klaproth descubriera el elemento, pues en 1798 aparece la uraninita en el inventario del Real Gabinete de Historia Natural de Madrid.

Gracias a los conocimientos adquiridos sobre el nuevo y fascinante fenómeno, José Muñoz del Castillo constituye el Laboratorio de Radiactividad en 1902, en el que comienza un estudio sistemático de la radiactividad de los yacimientos españoles y de los manantiales de aguas minerales. En 1905 descubre la radiactividad de los minerales de la mina de cobre “antigua Pilar” de Colmenarejo y en 1906 describe lo que él denomina “las 5 manchas radiactivas” en la península, que se corresponden con las principales zonas en las que encuentran minerales y rocas radiactivos, así como la descripción de 24 manantiales cuyas aguas muestran una radiactividad mas o menos elevada, entre ellas las del manantial de Vichy Catalan (Gerona) y Mondariz (Pamplona Pontevedra). La primera “mancha radiactiva” descrita por Muñoz del Castillo comprende las localidades de Colmenar Viejo, Torrelodones, Colmenarejo, Galapagar y San Rafael, en cuyos yacimientos encuentran principalmente torbernita, a la que describen como intensamente radiactiva.

Salvador Calderón en 1910 comenta la frecuencia con la que aparecen los cristales de “fosfato de uranio” en la Sierra de Guadarrama y cita el trabajo de 1904 de Muñoz del Castillo en el que este autor demuestra la intensa emisión radiactiva de las torbernitas de la Sierra de Guadarrama, en particular las procedentes de Colmenar Viejo, sugiriendo la posibilidad de que contengan “sustancias mas activas que el uranio” (sic). Cuando Calderón publicó su libro en 1910, el estudio de la radiactividad en minerales de uranio ya había avanzado mucho y otro pionero, el científico estadounidense Boltwood había publicado en 1904 la demostración de que los elementos descubiertos por los Curie, el polonio y el radio, procedían de la desintegración del uranio y están presentes en todos los minerales. Así, la presencia de elementos muy activos en minerales de uranio, descendientes de él por desintegración, era un hecho sobradamente conocido y contrastado en la comunidad científica internacional. No se por qué Calderón no se hace eco de estos trabajos, cuando la hipótesis de los elementos más activos que el uranio ya se había formulado y comprobado 4 años antes del trabajo de Muñoz del Castillo. ¿quizá debido a la tradicional desconexión de España del ambiente científico internacional?

Marie Curie descubrió que no solo los minerales propiamente de uranio o torio eran radiactivos, sino que los minerales con tierras raras portaban diferentes cantidades de elementos radiactivos. Por ejemplo, descubrió que muchos cristales de Monacita-Ce eran radiactivos. (Cristal de monacita-Ce de Sierra Albarrana, Córdoba)

El trabajo de Muñoz del Castillo y su Laboratorio de Radiactividad ha sido una importante referencia con el comienzo del interés estratégico en los yacimientos de uranio. En los años 50 del siglo XX se constituye la Junta de Energía Nuclear (JEN), uno de cuyos trabajos mas importantes es la revisión y estudio sistemático de todos los yacimientos e indicios radiactivos del país, en busca del “oro de la era nuclear”, como fue definido en cierta ocasión, sabedores de su creciente importancia estratégica. Siguiendo la estela de trabajos similares llevados a cabo en USA, los investigadores se empeñaban en cuidadosos trabajos de campo, peinando los indicios con escintilometros y contadores Geiger en busca de muestras de uranio, llegándose a catalogar todo aparición de minerales radiactivos en la península por pequeña que fuese. Como resultado de estos intensos trabajos, se desarrollaron yacimientos viables como las minas de la zona de Ciudad Rodrigo en Salamanca, las minas de Albalá o Andujar, entre otras.

La Península Ibérica es muy rica en minerales de uranio, que a veces han formado ejemplares muy curiosos, como esta muela de mamut fosilizada con Tyuyamunita (vanadato de uranilo y calcio), recogida y estudiada por el Profesor Antonio Arribas, geólogo español experto mundial en minerales de uranio.  

Recomiendo también, a quien le haya interesado lo que acaba de leer, ésta entrada en el blog Experiencia Docet

Algunas referencias de interés histórico:

Becquerel A. (1903). On radioactivity, a new property of the matter. Nobel Lecture. Elsevier Publishing Company. Ámsterdam. 19 p.

Calderón S. (1910). Los Minerales de España, Tomo II. Junta para Ampliación de Estudios e Investigaciones Científicas. Madrid. 563 p.

Curie, M., & Lippmann (M., Gabriel). (1898). Rayons émis par les composés de l’uranium et du thorium. Gauthier-Villars.

Curie, M. (1898) ‘Rayons émis par les composés de l’uranium et du thorium’, Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences, 126, pp. 1101–1103.

Curie M. (1911). Radium and the new concepts in chemistry. Nobel Lectures, Chemistry 1901-1921. Elsevier Publishing Company. Amsterdam.

Curie P. (1905). Radioactive substances, especially radium. Nobel Lectures, , Chemistry 1901-1921. Elsevier Publishing Company. Amsterdam.

Muñoz del Castillo J. (1905). Una mina radiactiva en Colmenarejo. Revista Minera, 215-216.

Muñoz del Castillo J. (1906) Yacimientos y manantiales radioactivos de España. Boletín de la Real Sociedad Española de Historia Natural 6, 84-87.

Soddy F. (1920). Radioactivity. Annual Reports on the Progress of Chemistry. 244-280.

Esta entrada participa en la LVII Edición del Carnaval de Química alojada en La Aventura de la Ciencia.

2 Comments

  1. ¡Hola César!
    Para tu información:
    El manantial de aguas mineromedicinales de Mondariz, está situado en la zona sur de la provincia de Pontevedra.
    Comentario adicional: En la zona sur de la provincia de Pontevedra han sido estudiadas mineralizaciones de Autunita, Torbernita y Uraninitas – Revista Acopios 2012, “Mineralogía de la pegmatita granítica de elementos raros de Monte Galiñeiro Sur, Gondomar”.
    Pena del esfuerzo que realizásteis ¡Echo de menos ACOPIOS!
    Saludos cordiales

    luque
    1. Hola!. Gracias por el aviso. Yo también echo de menos Acopios, fue un esfuerzo bonito ponerlo en marcha como revista electrónica “de verdad” (es decir, citable y siguiendo estándares bibliográficos aceptables por revistas científicas). Pero, aunque el coste no era elevado, la dificultad para financiar y mi salida obligada de España hicieron imposible continuar el proyecto por mi parte.

      cmenor

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