El ciclotrón

Cuando el núcleo atómico de un elemento radioactivo se desintegra, ademas de otras radiaciones, emite partículas alfa, las cuales se componen por dos protones y dos neutrones. Estas partículas pueden utilizase para producir la desintegración de elementos no radioactivos. Para esto, son lanzados contra los núcleos de estos últimos, y al llegar a ellos, ocasionan una reacción nuclear. Todavía en 1930, este era el único medio de que disponían los físicos para producir reacciones nucleares en forma artificial. Pero como la energía de dichas partículas alfa es relativamente pequeña, no llegaban a los núcleos mas pesados (con mayor numero atómico o "numero de carga"), debido a la fuerte repulsión que sufrían al aproximarse a estos núcleos. Así pues, en aquella época, resultaba prácticamente imposible obtener reacciones nucleares con núcleos pesados.
Para resolver este problema, pues en las investigación de las reacciones nucleares era muy grande, los físicos trataron de construir dispositivos capaces de proporcionar partículas atómicas de alta energía. El generador de Van de Graaff, fue uno de los primeros instrumentos inventados con esta finalidad. Otro dispositivo ideado aproximadamente en la misma época y con el mismo objeto fue el ciclotrón. Este aparato lo construyo el físico estadounidense Ernest O. Lawrence, quien en 1931 hizo funcionar el primero de ellos. Gracias a este invento, y por el estudio de un gran número de reacciones nucleares que pudieron obtenerse con tal maquina, Lawrence recibió el premio  Nobel de Física en 1939.

Principio del funcionamiento del ciclotrón

El principio físico en el cual se basa la construcción el cilotrón se basa en que una partícula electrizada con carga q, lanada a un campo magnético uniforme B y con una velocidad v perpendicular a este campo, describe una trayectoria circular por la acción de una fuerza magnética que actua sobre la partícula. Mostramos que el radio de esta trayectoria esta dado por: R=mv/Bq donde m es la masa de la partícula.
Podemos calcular el periodo T (tiempo de una revolución o vuelta completa) de este movimiento circular, si recordamos que T=2πR/v.
Entonces, sustituyendo la expresión anterior de R tendremos:

T=2π R/v=2π/v.mv/Bq

donde: T= 2π m/Bq

Por tanto, esta expresión muestra qe el periodo de rotación de la partícula no depende de R, ni de v. En otras palabras, cualquiera que sea el radio de la trayectoria, el tiempo transcurrido para efectuar una vuela completa sera el mismo. Esto se verifica porque cuanto mayor sea la velocidad con la cual sea lanzada la partícula al campo magnético, mayor sera el radio de la trayectoria que describirá.
El hecho de que que periodo de movimiento de la partícula en el campo magnético no dependa del radio de la trayectoria, desempeña un papel muy importante en el funcionamiento del cilotron.

Como funciona un ciclotrón

En la figura esquemática de la izquierda se presentan los principales componentes de un ciclotron. Vemos que esta constituido por dos cámaras metálicas huecas con la forma de la letra D (D1 y D2) colocadas en el campo magnético producido por un poderoso electroiman. Entre los terminales P y Q se aplica una tensión alterna de alta frecuencia, a fin de crear en el espacio D1 y D2 u  campo eléctrico también alterno, es decir, cuyo sentido sea unas veces de D1 hacia D2, y otras el sentido contrario.

Un dispositivo que emite iones de baja energía (protones o deutrones) se coloca en el punto F, situado entre D1 y D2 en la posición indicada en el esquema. Supongase que un ion (por ejemplo un proton) es producido en F en el instante en que el campo eléctrico esta dirigido de D2 hacia D1. Este ion sera acelerado por este campo eléctrico, y penetrara al interior de D1 con cierta velocidad. En esta región describirá una trayectoria circular debida a la acción del campo magnético, y regresara al espacio de D1 y D2. Si el periodo con el cual alterna el campo eléctrico es igual al periodo del movimiento circular de la partícula, l salir de D1 encontrara el campo eléctrico dirigido precisamente de D1 hacia D2. De manera que el proton sufrirá una nueva aceleración, adquiriendo mayo energía y penetrando al interior de D2 con mayor velocidad. En D2 describirá entonces una trayectoria con un radio mayor, pero a pesar de ello, permanecerá en D2 el mismo tiempo que permaneció en D1. Al salir de D2 el proton hallara el campo electrico dirigido de D2 hacia D1 y volverá a ser acelerado, adquiriendo una energía aun mayor.
Este proceso se repite un gran numero de veces, haciendo que el ion tenga una energía muy elevada al salir por la abertura lateral L, donde se coloca el objetivo, es decir la sustancia que contiene los núcleos que vana a ser bombardeados.
En los ciclotrones mas modernos, los protones efectúan unas 100 vueltas completas en el interior del instrumento, y adquieren una energía igual a la que tendrían si fuesen acelerados por una diferencia de potencial de aproximadamente 12 millones de volts.


Fuente:"Física General" 4a. Edición. Antonio Máximo, Beatriz Alvarenga.