La ciencia detrás de la película “Oppenheimer”

Alejandro Escartín Arruebo »

La Ciencia normalmente es percibida como un mundo complejo, lejano y de poco interés por la mayoría de las personas. Sin embargo, siempre ha estado presente en la vida de los seres humanos, desde el descubrimiento del fuego hasta nuestros días, y la hemos usado para nuestro propio beneficio. Una de las obras de la Ciencia, de hecho, son las películas. Estas películas tratan sobre temas muy diferentes: política, superhéroes, ciencia ficción, amor, comedia… Pese a la gran variedad de cintas que se han hecho a lo largo de la historia, pocas tienen asuntos científicos como ejes principales de la trama. Esto es precisamente de lo que me gustaría hablar, de la Ciencia que está detrás de una película en concreto. Por concretar aún más, me gustaría introducir a uno de los directores de cine más famosos de todos los tiempos, el cual ha indagado en asuntos científicos en varias de sus obras.

Cristopher Nolan es la persona de la que hablo, un director de cine, guionista, productor y editor británico-estadounidense que tiene en su haber multitud de películas. Además de Interestellar, la cual trata temas de Astrofísica, tenemos una de las películas más taquilleras del año 2023, Oppenheimer. En ella, se nos muestra la vida del científico J. Robert Oppenheimer desde el periodo de entreguerras hasta su vejez, centrándose en los años en los que estuvo trabajando en el Proyecto Manhattan.

En mi caso personal, esta película tiene una gran importancia en mi vida, ya que fue una de las principales razones por las cuales decidí estudiar la carrera de Química e interesarme activamente por la Ciencia en su conjunto. Mi admiración por los científicos que trabajaron en este hito es una de las razones que me inspiran día a día en mis estudios.

Contexto histórico

El mundo está en guerra. El Tercer Reich de Adolf Hitler invade Polonia el 1 de septiembre de 1939 y su maquinaria de guerra consigue invadir numerosas naciones europeas. Con el estallido de la guerra, multitud de científicos (especialmente judíos) escapan de Alemania y de la Europa Ocupada, llegando así a los Estados Unidos. Durante los primeros años posteriores a 1939, la preocupación por la expansión del régimen alemán crecía, al mismo tiempo que se empezaba a temer por la investigación de un nuevo tipo de arma nunca vista hasta la fecha por los alemanes, la bomba atómica. Nos encontramos entonces en una oscura etapa de la Humanidad en el ámbito político, económico y militar. Sin embargo, es un periodo de oro para la Ciencia, ya que durante las primeras décadas del siglo XX tuvieron lugar cientos de descubrimientos científicos muy importantes.

Los servicios de inteligencia de las potencias aliadas tenían indicios de que los alemanes habían empezado a trabajar, en base al reciente descubrimiento de la fisión nuclear, en la creación de una nueva arma muy poderosa.

Descubrimiento de la fisión nuclear

El paso previo al descubrimiento de la fisión nuclear se puede situar en el año 1932, cuando el científico británico James Chadwick realizó una serie de experimentos y descubrió el neutrón. El neutrón es una partícula subatómica de carga eléctrica neutra localizada en el núcleo junto a los protones. Las masas de ambas partículas son parecidas y constituyen aproximadamente el 99 % del peso atómico.

Años más tarde, el científico italiano Enrico Fermi estuvo estudiando los núcleos atómicos de todos los elementos de la Tabla Periódica conocidos hasta el momento. Para ello, bombardeó los núcleos con neutrones. Su sorpresa vino cuando llegó a experimentar con el Uranio y vio que se producían nuevos átomos. Fermi y su equipo creyeron que habían descubierto los primeros elementos transuránicos, más pesados que el Uranio. Sin embargo, como veremos a continuación, estaban completamente equivocados.

La fisión nuclear fue descubierta en diciembre de 1938 en el Kaiser Wilhem Institut de Berlín por un equipo de científicos alemanes, entre los que se encontraban Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lise Meitner y Otto Frisch. Este grupo de científicos interpretó el fenómeno de la fisión debido a la detección del elemento bario después de haber bombardeado con neutrones el uranio.

Los primeros estudios sobre la fisión nuclear fueron llevados a cabo por Otto Hahn y Lise Meitner, basándose en los resultados obtenidos por el matrimonio Joliot-Curie, que, mediante análisis muy cuidadosos, encontraron un elemento de número atómico intermedio en una muestra de uranio bombardeado con neutrones. Además, también retomaron el trabajo realizado por Fermi años atrás.

Lise Meitner y Otto Frisch dedujeron que, al bombardear el uranio con neutrones, este capturaba un neutrón y se escindía en dos átomos más ligeros, emitiendo una gran cantidad de energía en el proceso. La presencia de bario, ignorada por Fermi y su equipo años antes, permitió a estos científicos afirmar que no se habían descubierto los primeros elementos transuránicos, sino que lo que verdaderamente se había logrado era la división del átomo en otros más ligeros.

Se había descubierto la fisión nuclear. Sin embargo, solo Otto Hahn recibió, en 1944, el Premio Nobel de Química por este descubrimiento.

¿Cómo funciona la fisión nuclear?

El átomo de uranio había sido dividido, algo impensable en aquel momento y que ofrecía cientos de posibilidades.

El átomo de uranio es inestable porque contiene un gran número de nucleones, es decir, de protones y de neutrones. Esto implica que su núcleo se puede dividir y dar lugar a productos de menor masa que el átomo de uranio inicial.

Tal y como se observa en la Figura 2, un átomo del isótopo uranio-235 es atravesado por un neutrón, lo cual provoca la fisión nuclear. Los productos obtenidos son bario-144 y kriptón-89, cuyas masas sumadas no dan 235. La masa atómica del uranio es 235, mientras que la del kriptón y bario suman 233.

Este hecho se explica mediante la famosa ecuación de Einstein, E = mc², ya que la masa perdida se convierte en energía y es liberada. Recordemos que la materia y la energía ni se crean ni se destruyen, solamente se transforman. En total, se liberan unos 200 MeV, que en unidades del Sistema Internacional son 3,2·10^–11 J. Esta mínima cantidad de energía liberada se da por cada átomo fisionado; sin embargo, si se consigue fisionar un mol de uranio, que contiene el número de Avogadro de átomos (6,022·10²³), la energía liberada ya es mucho mayor. La clave para liberar una gran cantidad de energía es conseguir la fisión de cantidades enormes de átomos de uranio, algo que se consigue mediante la reacción en cadena.

El científico danés Niels Bohr observó que el proceso de fisión del uranio en estado natural no liberaba mucha energía. Se dio cuenta de que la composición del uranio natural era del 99 % de uranio-238, el cual no se fisionaba debido a su gran estabilidad, y del 1 % de uranio-235, el cual sí se fisionaba debido a su baja estabilidad. Entonces, Bohr concluyó que para producir una gran cantidad de energía se debían separar ambos isótopos y desechar el uranio-238 para aprovechar el uranio-235. Este proceso es conocido como enriquecimiento de uranio.

Por otra parte, Fermi descubrió que cuando se produce la fisión nuclear al usar neutrones, estos deben tener una velocidad baja. De esta forma el núcleo dispone de más tiempo para captar el neutrón y fisionar de forma más eficiente. El medio ideal para ralentizar los neutrones es aquel con elementos químicos lo más ligeros posible y que no resuenen con los neutrones, es decir, que no los absorban. Estos elementos reciben el nombre de moderadores. Los mejores candidatos en aquella época para funcionar como moderador eran el hidrógeno (agua pesada-deuterio) y el carbono (grafito).

Proyecto Manhattan

En 1939, el científico Leó Szilárd insta a Albert Einstein, un firme pacifista judío alemán que tuvo que emigrar a Estados Unidos por culpa del ascenso de Hitler al poder, a escribir una carta al presidente estadounidense Franklin Delano Roosevelt. En dicha carta, Albert expone el peligro que supondría para los países Aliados el desarrollo de una posible arma a partir de la fisión nuclear por parte de los alemanes. En 1941, el ataque japonés a Pearl Harbor y la entrada de Estados Unidos en la guerra hacen que Roosevelt acelere el proyecto de fabricación de la primera bomba atómica de la historia. Es el inicio del Proyecto Manhattan, el cual contaba con muchos centros de investigación distribuidos por toda la geografía de Estados Unidos, tal y como se puede observar en la Figura 4.

Uno de los centros de investigación, el Site X u Oak Ridge, localizado en Knoxville (Tennessee) se encargaría del enriquecimiento del uranio, mientras que el Site W en Hanford (Washington) se dedicaría a producir una bomba de plutonio. El plutonio había sido descubierto tiempo atrás por un químico llamado Glenn T. Seaborg bombardeando uranio con deuterio en un acelerador de partículas llamado ciclotrón. Era el primer elemento transuránico descubierto hasta la fecha. Por último, el Site Y, localizado en Los Álamos (Nuevo México), se encargaría del ensamblaje de la bomba. Este es el lugar en el que transcurre la mayor parte de la película, el cual estaba dirigido por J. Robert Oppenheimer.

La bomba de uranio

El proceso de enriquecimiento de uranio es complejo y costoso. En aquel momento, se plantearon cuatro posibles tecnologías de enriquecimiento: difusión gaseosa pasando hexafluoruro de uranio por una barrera porosa, difusión por diferencia de temperatura, separación electromagnética usando un ciclotrón o mediante una centrifugadora.

El científico Ernest Lawrence se encargó de explorar la vía de separación electromagnética usando su propio invento, el ciclotrón. Este método de separación se basa en la diferencia de masas de los dos isótopos. Cuando una partícula gira en un campo magnético, su radio de giro depende de su masa. De esta forma, mediante grandes campos electromagnéticos, se podía conseguir la separación de isótopos.

La misión de Lawrence era generar 60 kg de uranio enriquecido al 80 % para julio de 1945. Este material fue el utilizado para ensamblar la bomba “Little Boy”.

La bomba de plutonio

A la par que se avanzaba con el enriquecimiento de uranio, una segunda vía para producir una bomba estaba en marcha, la del plutonio. Este elemento presentaba una desventaja importante frente al uranio, ya que no se presentaba de forma natural y había que sintetizarlo artificialmente.

Los científicos encargados de esta vía eran el ya mencionado Enrico Fermi y el premio Nobel Arthur Compton, quienes tenían como objetivo llevar a cabo una reacción en cadena para producir plutonio de forma controlada. Para hacerlo, usaron uranio puro insertado en barras de grafito, el cual serviría como moderador. En lugar de usar agua pesada como moderador, usaron el grafito debido a su mayor disponibilidad.

Para mayo de 1945, el objetivo era haber producido 6 kg de plutonio, el cual se consiguió. El material nuclear obtenido fue usado en la bomba “Fat Man”.

¿Cómo explotan las bombas?

Un aspecto clase para el diseño y ensamblaje de la bomba de uranio era la masa crítica. Para que se produzca la reacción en cadena, es necesario que los neutrones desprendidos puedan ser capturados de nuevo. La masa crítica es el valor mínimo de masa necesario para que esto ocurra y se produzca la fisión. Si esta masa fuera menor, muchos de los neutrones desprendidos se perderían al escapar de la muestra y la reacción en cadena no seguiría adelante.

Al construirse la bomba, se colocaron dos porciones de material fisionable en secciones separadas, inferiores cada uno de ellos a la masa crítica (masas subcríticas), pero que unidos la superaban. En el momento de provocar la reacción en cadena, con un explosivo convencional se hace que las dos secciones se unan para superar la masa crítica. Es lo que se conoce como el método de pistola (ver Figura 5). En ese momento, la reacción en cadena es imparable.

No obstante, este método no funcionaba con el plutonio y se optó por el método de implosión. A través de explosivos repartidos de forma simétrica por una esfera se hace implosionar el núcleo de plutonio, alcanzando así la masa crítica (ver Figura 5)

La carrera por la bomba y la victoria científico-militar de los aliados

El Club del Uranio, dirigido por el alemán Werner Heisenberg, se adelantó al principio a los Aliados en la carrera por la bomba. Sin embargo, la falta de apoyo al proyecto y numerosos errores como apostar por el agua pesada como moderador en lugar del grafito dio la ventaja a los Aliados.

Para el 16 de julio de 1945 se programó la primera prueba nuclear de la historia (ver Figura 6), cuyo nombre en clave era “Trinity” y que tendría lugar en Alamogordo (Nuevo México). Para ello, se empleó un dispositivo conocido como “Gadget” (ver Figura 7).

Tras el éxito de la prueba, el 6 de agosto se lanzó la bomba de uranio, “Little Boy”, sobre Hiroshima y tres días después se lanza la de plutonio, “Fat Man”, sobre Nagasaki.

Bibliografía

• Datos biográficos sobre Nolan: https://es.wikipedia.org/wiki/Christopher_Nolan
• Contexto histórico: https://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_Guerra_Mundial
• Descubrimiento de la fisión nuclear: https://rinconeducativo.org/es/efemerides/el-19-de-diciembre-de-1938-se-descubrio-la-fision- nuclear/
• Vídeo del youtuber Javier Santaolalla sobre la película: https://www.youtube.com/watch?v=hYPnihEsGs8&t=180s
• Vídeo del youtuber Javier Santaolalla sobre la fisión nuclear: https://www.youtube.com/watch?v=l8XFrxeqb5g&t=580s

Imágenes

1. Imágenes de autoría desconocida.
2. Autoría desconocida.
3. Autoría desconocida.
4. https://es.wikipedia.org/wiki/Proyecto_Manhattan.
5. https://quecuriosidades.com/tipos-de-bombas-nucleares/.
6. https://hipertextual.com/2023/07/prueba-trinity.
7. https://rarehistoricalphotos.com/gadget-first-atomic-bomb/.