Espintariscopios

Adolf Cortel Ortuño

 

IES Pompeu Fabra, Martorell, Barcelona

acortel@pie.xtec.es

 

... En 1903 Sir William Crookes diseñó un pequeño instrumento, llamado espintariscopio, que pone de manifiesto de una forma directa y sorprendente que el radio emite partículas continuamente a enormes velocidades...

R.A.Millikan y H.G.Gale "Practical Physics" 

 

Resumen

            El espintariscopio, descubierto por Crookes en 1903 fue el primer detector de escintilaciones y permitió, por primera vez, observar el efecto de átomos individuales: el choque de cada partícula alfa con una pantalla fluorescente produce tenues destellos luminosos, visibles a simple vista después de un breve período de adaptación a la oscuridad. A continuación se describe la construcción de un espintariscopio y los pequeños trucos que permiten una observación sencilla de las escintilaciones.


           

Figura 1.  Espintarioscopio diseñado por W. Crookes

 

Escintilaciones

Al parecer, Crookes descubrió este efecto al volcar por accidente una pequeña cantidad de bromuro de radio encima de una pantalla fluorescente de sulfuro de cinc. Puesto que en su época esta sustancia era extraordinariamente valiosa procuró recoger, con la ayuda de una lupa, incluso la más minúscula cantidad y observó que, a oscuras, se podían ver pequeñas zonas centelleantes (".. como un mar turbulento..") en aquellos puntos de la pantalla sobre los que había trazas de la sal radioactiva. A partir de esta observación, construyó su espintariscopio: un tubo provisto de una pantalla fluorescente, a una pequeña distancia de la cual se colocaba una minúscula cantidad de una sal de radio, con una lente a una distancia ajustable para observar las escintilaciones con nitidez. El aparatito se comercializó y llegó a ser muy popular, a principios del siglo XX, como juguete científico1.

            Las partículas alfa emitidas por el radio, con una energía de unos 5 MeV, chocan con el compuesto fluorescente (normalmente sulfuro de zinc dopado con plata) y se detienen en una distancia de unos cuantos micrómetros, de modo que una fracción importante de su energía se transforma en fotones cuya frecuencia corresponde a una banda centrada en el amarillo. Debido a que los fotones emitidos en el choque de una partícula alfa salen de una pequeñísima parte de la pantalla, a que el número de fotones emitidos en un solo choque es elevado y a que, en las condiciones de observación con un espintariscopio, el ojo tiene la máxima sensibilidad en la zona del amarillo, las escintilaciones debidas a las partículas alfa se observan con facilidad. No sucede así con las partículas beta o los rayos gamma cuya energía es menor y se reparte en un recorrido mucho mayor que el de las partículas alfa: en estos casos, hacen falta tubos fotomultiplicadores para detectar la luz emitida.      

 

Observación

La observación con un espintariscopio requiere una adaptación previa a la oscuridad. Si la fuente de partículas alfa es "intensa" (por ejemplo mayor de 0,1 mCi) el gran número de escintilaciones es fácilmente observable incluso sin estar en absoluta oscuridad, o en la oscuridad, a simple vista. Si la fuente radiactiva es poco intensa se requiere una adaptación, como mínimo, de unos 5 minutos en la oscuridad. A medida que la adaptación es mayor las escintilaciones se observan más claramente. Esencialmente se trata de que el ojo se adapte y de que cada destello destaque por encima del "ruido de fondo" del sistema visual (la intensidad del ruido de fondo depende de varios factores, entre ellos la edad o la intensidad luminosa a la que uno ha estado expuesto) . Es esencial que el ojo no se presione contra el ocular para evitar los fosfenos (luminosidad que se observa al presionar los sensores de la retina) que dificultan e incluso hacen inviable la observación de los destellos. Si la observación se prolonga, la inevitable presión en el ojo hace aparecer fosfenos2.

Con el ojo adaptado es fácil observar las escintilaciones provocadas por materiales de muy baja actividad, por ejemplo trozos de minerales radiactivos o trozos de hilo de camisas de lámparas de gas, que contienen óxido de torio. Es este último caso, con un trozo aproximadamente de 1 cm de hilo procedente de estas camisas radiactivas3, se observan claramente 1-2 escintilaciones por segundo.

En el espintariscopio que se ha construido la fuente radiactiva es una pequeñísima cantidad de pintura luminosa procedente de una aguja de reloj antigua, pegada al extremo de un alfiler. La luminosidad de estas agujas no es debida a un fenómeno de fosforescencia, como ocurre en las actuales,  sino que la luz  procede de las escintilaciones de una mezcla de bromuro de radio y sulfuro de cinc pegada a la aguja con goma arábiga4 . Por esta razón, al observar mediante la lente, se puede ver una pequeña zona tenuemente luminosa que corresponde a la pintura pegada a la punta del alfiler. En la zona que rodea a la punta se observan las escintilaciones de las partículas alfa que han escapado de la pintura y chocan con la placa fluorescente.

El enfoque es esencial para poder ver claramente las escintilaciones, por ello, la lente está montada en una pieza provista de una rosca. Puesto que en la oscuridad necesaria para observar los destellos la pupila está totalmente dilatada, la profundidad de campo del sistema óptico es muy pequeña y por ello una variación de un par de milímetros en la distancia de la lente a la pantalla puede provocar grandes cambios en la nitidez de los destellos. La lente ha de estar a la distancia focal de la pantalla para que la luz entre en el ojo paralela, como si procediera del infinito y se pueda acomodar la visión sin fatiga.

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Estructura de un espintariscopio

 

 

Es conveniente que la lente recoja la máxima cantidad posible de luz, por ello, los espintariscopios que construyó Crookes tenían una lente casi del diámetro del tubo cerca de la lámina fosforescente, que dirigía la luz a una lente mucho menor a través de la cual se observaba.  En este espintariscopio, con una sola lente, se ha escogido una distancia focal corta, de unos 24 mm para recoger la máxima cantidad de luz; basta con que el diámetro (9,5 mm, en este caso) sea similar al de la  pupila dilatada.

Para observar las escintilaciones se puede empezar con la pieza que contiene la lente a mitad de recorrido. Una vez se empiecen a detectar destellos, se hace girar la pieza acercando o alejando la lente a la pantalla hasta conseguir la máxima nitidez.

            Se ha colocado, además, una pieza de plástico  que facilita la colocación del ojo, centrado encima de la lente, ya que en la oscuridad absoluta es difícil observar en la dirección correcta (podemos no ver nada, simplemente porque no observamos en la dirección apropiada).

            Si se quieren observar las escintilaciones producidas por otras fuentes radiactivas, como minerales, hilo de camisas de gas, etc.. se puede extraer el tornillo que contiene la fuente procurando que el extremo del alfiler no roce con la rosca y colocar las muestras directamente sobre la pantalla fluorescente.

 

Materiales

            El espintariscopio se ha realizado con los materiales siguientes:

-          barra de latón de 25 mm y 20 mm mecanizada en un torno

-          espárrago con cabeza Allen de 4 mm

-          trozo de alfiler

-          pantalla fluorescente: trozo cortado de una pantalla de fluoroscopía de Rayos X, pegado sobre una catulina4.

-          fuente radiactiva: pintura procedente de una aguja de reloj antigua, pegada con epoxi en la cabeza de un alfiler

-          adaptador para el ojo, de PCV mecanizado

-          lente plano-convexa (diámetro 9,5 mm; distancia focal aprox. 24 mm): sacada de una mirilla de puerta de "Todo a 100". Otra posibilidad consiste en sacar la lente de una cámara fotográfica desechable.

-           


 

Figura3. Piezas mecanizadas del cuerpo del espintariscopio

 


Figura 4. Trozos de pantalla de fluoroscopia de Rayos X

 

 


Figura 5. Ajugas antiguas de reloj, con pintura luminiscente de bromuro de radio

 

 


Figura 6. Tornillos con una pequeña cantidad de pintura radiactiva pegada a la punta

 

 



 

Figuras 6 y 7. Espintariscopio montado

 

 


Figura 8. Otros diseños de espintariscopios

 

 

 

1 En la actualidad, United Nuclear vende un modelo de espintariscopio en plástico con la estimulante indicación "See genuine atoms split to smithereen" (www.unitednuclear.com)

 

2 Si consideramos los inconvenientes que supone observar las escintilaciones en un espintariscopio podemos valorar todavía más las dificultades de Rutherford y sus colaboradores en sus estudios de dispersión de partículas alfa por láminas delgadas: después de un período de adaptación, contaban los destellos producidos por las partículas alfa en distintos ángulos, sobre una pintura fluorescente. Al cabo de un cierto tiempo tenían que descansar debido a la aparición de fosfenos. No es de extrañar que, en sus artículos, Rutherford demuestre su agradecimiento a sus ayudantes de laboratorio.

 

3 Las camisas radiactivas se prohibieron hace algunos años. Las que se compran en las tiendas de deportes no son radiactivas, sin embargo, las de los "Todo a 100"  que, al parecer,  operan al margen de todo control, sí lo son.

 

4 Aunque los rayos X se descubrieron debido a la fluorescencia de una pantalla de platinocianuro de bario  (que en la época era el material empleado para observar la fluorescencia debida a la radiación UV) cerca de un tubo de rayos catódicos, al cabo de unos años las pantallas para observación directa con rayos X se hicieron con otros materiales, especialmente sulfuro de cinc (los fósforos en los intensificadores de imagen para hacer radiografías són de otro tipo, por ejemplo tungstato de calcio)  El sulfuro de zinc dopado con plata de las pantallas de fluoroscopia es especialmente útil en los espintariscopios debido a que tiene un tiempo de fosforescencia corto y no hace falta mantenerlo a oscuras: los primeros aparatos se tenían que guardar en una caja negra para que la tenue fosforescencia del sulfuro de cinc no impidiera observar las escintilaciones.

 

Agradecimientos

            No sólo debo la idea de observar escintilaciones usando un trozo de pantalla de fluoroscopia a Marc Boada (Pendulum, Terrassa) sino que le agradezco el regalo de un trozo de pantalla. Más recientemente , Gerardo Meiro ha descrito la construcción de un espintariscopio  con esta misma idea en su página web (www.cientificosaficionados.com). Lluis Nadal (IES  Lluis de Requesens, Molins de Rei) ha sido de nuevo muy generoso compartiendo fuentes radioactivas, materiales e ideas. Debo a  Alejandro del Mazo (Salamanca) generosa información sobre el uso de fósforos de pantalla de televisor para observar escintilaciones. Jaume Oliveras (Relojería Oliveras-Pla, Olesa de Montserrat) me regaló  las agujas antiguas de su taller.

 

Referencias

·         O. Sacks "El tío tungsteno" Anagrama (Colección Argumentos), 2003, pp 262-300.

·         R.A.Millikan, H.G.Gale "Practical Physics" Ginn &Co. 1922, pp.443-444.

·         www.cientificosaficionados.com/index.htm

·         http://www.orau.org/ptp/collection/spinthariscopes/clarkston.htm

·         http://www.orau.org/ptp/collection/spinthariscopes/crookes.htm

·         Paul W.Frame  "William Crookes and the Turbulent Luminous Sea" en http://www.orau.org/ptp/articlesstories/spinstory.htm

·         http://www.unitednuclear.com/spinthariscope.htm