C. E. 100CIAS3: ERNEST RUTHERFORD

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ERNEST RUTHERFORD (1871 - 1937)

El químico neozelandés Ernest Rutherford, conocido también como Lord Rutherford, nació el 30 de agosto de 1831 en Brightwater y falleció el 19 de octubre de 1937 en Cambridge. Rutherford se dedicó al estudio de las partículas radiactivas y logró clasificarlas en alfa (α) , beta (β) y gamma (γ). Demostró que la radiactividad iba acompañada por una desintegración de los elementos, lo que le valió ganar el Premio Nobel de Química en 1908. A él se le debe el modelo atómico que lleva su nombre, modelo con el que probó la existencia del núcleo atómico, en el que se reúne toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo. Consiguió la primera transmutación artificial con la colaboración de su discípulo Frederick Soddy.

Durante la primera parte de su vida, Rutherford se dedicó por completo a la investigación y pasó la segunda mitad dedicado a la docencia y dirigiendo los Laboratorios Cavendish de Cambridge, donde se descubrió el neutrón. Fue maestro, entre otros, de Niels Bohr y Otto Hahn.

BIOGRAFÍA

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Los primeros años

Su padre, James, de origen escocés, era granjero y mecánico, y su madre, Martha Thompson, nacida en Inglaterra, era maestra.

Rutherford destacó desde pequeño por su gran curiosidad y su capacidad para la aritmética. resultó ser un alumno brillante, lo que le permitió entrar en el Nelson College, en el que permaneció tres años. El último año, terminó en primer lugar en todas las asignaturas, gracias a lo cual ingresó en la Universidad en Nueva Zelanda, en el Canterbury College, en el que participó en los clubes científicos y de reflexión.

Por ese entonces empezó a mostrarse su genio para la experimentación. Sus primeras investigaciones demostraron que el hierro podía magnetizarse por medio de altas frecuencias. Sus excelentes resultados académicos le permitieron proseguir sus estudios y sus investigaciones durante los cinco años que permaneció en la Universidad. Se licenció en Christchurch y poco después consiguió la única beca de Nueva Zelanda para estudiar matemáticas. Obtuvo el título de Master of Arts con las mejores calificaciones en matemáticas y física.

En 1894 obtuvo el título de Bachelor of Science, que le permitió seguir sus estudios en Gran Bretaña, en los Laboratorios Cavendish de Cambridge, bajo la dirección del descubridor del electrón Joseph John Thompson a partir de 1895. Fue el primer estudiante de ultramar que alcanzó este logro. Antes de salir de Nueva Zelanda se comprometió con Mary Newton, una joven de Christchurch.

Cambridge, 1895 - 1898

En Cambridge, Rutherford prosiguió las investigaciones acerca de las ondas Hertzianas. Hizo una extraordinaria presentación de sus trabajos ante la Cambridge Physical Society, trabajos que se publicaron en las Philosophical Transactions de la Royal Society, hecho poco usual en un investigador joven.

En diciembre de 1895, empezó a trabajar con Thompson en el estudio del efecto de los rayos X sobre un gas. Descubrieron que los rayos X tenían la propiedad de ionizar el aire, puesto que producía gran cantidad de partículas cargadas tanto positivamente como negativamente, y que esa partículas podían combinarse combinarse entre sí para dar átomos neutros. Rutherford inventó una técnica para medir la velocidad de los iones. Estos trabajos le condujeron por el camino de la fama.

En 1898, tras pasar tres años en Cambridge, cuando contaba 27 años de edad, le propusieron una cátedra de física en la Universidad McGill de Montreal, cátedra que aceptó rápidamente.

Montreal, 1898 - 1907. Radiactividad

Henri Becquerel descubrió en 1896 que el uranio emitía una radiación desconocida, la "radiación uránica". Rutherford publicó tres años después un documento en el que estudiaba la forma que podían tener esas radiaciones, situando al uranio entre dos placas cargadas y midiendo la corriente que pasaba. Estudió así el poder de penetración de las radiaciones, cubriendo las muestras de uranio con hojas metálicas de distintos espesores. Se dio cuenta de que la ionización empezaba disminuyendo rápidamente conforme aumentaba el espesor de las hojas, pero que por encima de un determinado espesor disminuía más débilmente. Por ello dedujo que el uranio emitía dos radiaciones diferentes, puesto que tenían poder de penetración distinto. Llamó a la radiación menos penetrante radiación alfa, y a la más penetrante, radiación beta.

En 1900, Rutherford se casó con Mary Newton. En 1901 nació su hija Eileen. Por esa época , Rutherford dedicaba su tiempo al torio y se dio cuenta, que abrir una puerta perturbaba el experimento, como si los movimientos del aire lo alteraran. El torio transmitía la corriente fácilmente, incluso a gran distancia, así que Rutherford llegó a la conclusión de que el torio desprendía un efluvio radiactivo. Notó que esas emanaciones de torio solo permanecían radiactivas unos diez minutos y que eran partículas neutras. Su radiactividad no se veía alterada por ninguna reacción química, ni por las condiciones ambientales. Se dio cuenta, asimismo, que las radiaciones de esas partículas decrecían exponencialmente, puesto que la corriente que pasaba entre los electrodos también lo hacía. Descubre así el periodo de los elementos radiactivos en 1990. Con la ayuda de Frederick Soddy, llegó en 1902 a la conclusión de que las emanaciones de torio eran átomos radiactivos y que la radiactividad venía acompañada de una desintegración de los elementos.

Este descubrimiento provocó un gran revuelo entre los químicos, muy convencidos del principio de indestructibilidad de la materia. Sin embargo, la calidad de los trabajos de Rutherford no dejaba margen a la duda. El mismísimo Pierre Curie tardó dos años en admitir esta idea, a pesar de que ya había constatado con Marie Curie que la radiactividad ocasionaba una pérdida de masa en las muestras.

Las investigaciones de Rutherford tuvieron, en 1903, el reconocimiento de la Royal Society, que, en 1904, le concedió la Medalla Rumford. Los resultados se reunieron en un libro titulado Radiactividad, publicado en 1904, en el que se explicaba que la radiactividad no estaba influida por condiciones extremas de presión y temperatura, ni por las reacciones químicas, pero que comportaba una emisión de calor superior al de una reacción química. Explicaba también que se producían nuevos elementos con características químicas distintas, mientras desaparecían los elementos radiactivos.

Junto a Frederick Soddy, calculó que la emisión de energía térmica debida a la desintegración nuclear era entre 20.000 y 100.000 veces superior a la producida por una reacción química. Lanzó también la hipótesis de que tal energía podría explicar la energía desprendida por el Sol. Afirmó que si la Tierra conserva una temperatura constante (en lo que concierne a su núcleo) se debe a las reacciones de desintegración que se producen en su seno. Esta idea de la presencia de una gran energía almacenada en los núcleos de los átomos encontrará un año después un principio de confirmación cuando Albert Einstein descubra la equivalencia entre masa y energía.

Rutheford observó que sus radiaciones alfa son altamente energéticas pero tienen poco alcance y son absorbida por el medio con gran rapidez. Por el contrario, el segundo tipo de radiación, sus rayos beta, es altamente penetrante y de mucho mayor alcance. Mediante el uso de campos eléctricos y magnéticos, analizó estos rayos y dedujo su velocidad, el signo de su carga y la relación de carga y masa. Encontró, asimismo, un tercer tipo de radiación al que denominó gamma.

Manchester, 1907 - 1919. El núcleo atómico

En 1907, Rutherford obtiene una plaza de profesor en la Universidad de Manchester, donde trabaja junto a Hans Geiger. Allí, ionizando el gas que se encuentra en el aparato, inventará un contador que permite detectar las partículas alfa emitidas por sustancias radiactivas. Este artilugio les permite estimar el número de Avogadro, averiguar el período de desintegración del radio y el número de desintegraciones por unidad de tiempo. Así dedujeron el número de átomos de radio presentes en una muestra.

En 1908, junto con uno de sus estudiantes, Thomas Royds, demuestran que las partículas alfa son núcleos de helio. Lo que en realidad demuestran es que, una vez liberadas de su carga, las partículas alfa son átomos de helio. Para ello, aíslan la sustancia radiactiva en un material suficientemente delgado para que las partículas alfa lo atraviesen con facilidad y bloquean la emanación de elementos radiactivos, es decir cualquier producto generado en la desintegración. Recogen el gas que se halla alrededor de las muestras y analizan su espectro. Encuentran entonces gran cantidad de helio.

Ese mismo año, Rutherford gana el Premio Nobel de Química por sus trabajos de 1908. Sufre un pequeño disgusto, pues él se considera fundamentalmente un físico. En 1911; Rutherford hace su mayor contribución a la ciencia al descubrir el núcleo atómico. Había observado en Montreal que al bombardear una fina lámina de mica con partículas alfa se obtenía una deflexión de dichas partículas. Al retomar estos experimentos, utilizando una lámina de oro, se dio cuenta que algunas de estas partículas se desviaban más de 90 grados. Rutherford lanzó entonces la hipótesis de que en el centro del átomo había un núcleo que contiene prácticamente toda la masa y toda la carga positiva del átomo y que los electrones debían determinar el tamaño del átomo. Se le objetaba que en ese caso los electrones tendrían que irradiar girando alrededor del núcleo central y en consecuencia caer. este modelo permitía prever con exactitud la tasa de difusión de las partículas alfa en función del ángulo de difusión y de un orden de magnitud para las dimensiones del núcleo atómico.

En 1914 comienza la Primera Guerra Mundial, y Rutherford se concentra en los métodos modernos de detección de submarinos. Tras la guerra, en 1919, lleva a cabo la primera transmutación artificial. Al observar los protones producidos por el bombardeo de hidrógeno de partículas alfa se da cuenta que se producen parpadeos en pantallas cubiertas de sulfuro de cinc. Ese mismo resultado se obtiene al experimentar con aire y aún más con nitrógeno puro. Deduce que las partículas alfa, al golpear los átomos de nitrógeno, producen un protón, es decir, el núcleo de nitrógeno ha cambiado de naturaleza y se ha transformado en oxígeno.

Cambridge, 1919 - 1937. Cavendish

En 1919, Rutherford sucede a J. J. Thomsom en el laboratorio Cavendish, pasando a ocupar el cargo de director. Comienza una edad de oro para el laboratorio y también para Rutherford. En una conferencia que pronuncia ante la Royal Society alude a la existencia del neutrón y de los isótopos del hidrógeno y del helio. Estos se descubrirán en el laboratorio, bajo su dirección. James Chadwick, descubridor del neutrón, Premio Nobel en 1932 por ello, Niels Bohr, quien demostró que el modelo planetario de Rutherford no es inestable y Robert Oppenheimer, al que se considera padre de la bomba atómica, estudiaron en el laboratorio en tiempos de Rutherford. Moseley, que fue alumno de Rutherford, demostró, utilizando la desviación de los rayos X, que los átomos contaban con tantos electrones como cargas positivas había en el núcleo y que de ahí derivaba el carácter neutro del átomo. John Cockcroft y Ernest Walton recibieron el Premio Nobel en 1938 por un experimento que demostraba la desintegración del átomo utilizando un acelerador de partículas. Edward Appleton, también recibió el Nobel en 1947, por la demostración de la existencia de la ionosfera.

Del gran número de clases que impartió en Cavendish y la gran cantidad de contactos que sostuvo con sus alumnos derivó la imagen de Rutherford de persona apegada a los hechos experimentales, antes aún que a la teoría. Este apego a los hechos le confirió fama de riguroso y honesto. Por fortuna para todos, Rutherford no se detenía en los hechos y su gran imaginación le llevó a entrever las consecuencias de estos.

Fue esta una época de honores para Rutherford. Fue presidente de la Royal Society entre 1925 y 1930, y chairman de la Academic Assistance Council, que por esos tiempos ayudaba a los universitarios alemanes que huían de su país. Se le concedió la Medalla Franklin en 1924 y la Medalla Faraday en 1936. Realizó un último viaje a Nueva Zelanda en 1925 y fue recibido como un héroe. Alcanzó la nobleza en 1931 y obtuvo el título de Barón Rutherford de Nelson. Ese mismo año murió su única hija, Eileen, nueve días después de haber dado a luz a su cuarto hijo. Rutherford entró en el hospital en 1937 para someterse a una operación menor. Al regresar a su casa parecía haberse recuperado sin problemas, pero su estado se agravó repentinamente. Murió el 19 de octubre y se le enterró en la abadía de Westminster, junto a Isaac Newton y Kelvin.

LEGADO

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Las investigaciones de Rutherford, y los trabajos realizados bajo su dirección en el laboratorio Cavendish, establecieron la estructura nuclear del átomo y la naturaleza de la desintegración radiactiva. Patrick Blackett, un investigador a las órdenes de Rutherford, demostró utilizando partículas alfa la transmutación nuclear inducida. Posteriormente el equipo de Rutherford, utilizando un acelerador de protones, demostró las reacciones nucleares y la transmutación inducida artificialmente. Rutherford murió antes de conocer como se materializaba la idea de reacción nuclear en cadena de Leó Szilárd.

El discurso de Rutherford sobre la transmutación inducida artificialmente en el litio, publicado en The Times el 12 de septiembre de 1933, fue señalado por Szilárd como su inspiración a la hora de pensar en la posibilidad de una reacción en cadena controlada.

Este discurso hacía referencia a los trabajos realizados en 1932 por sus alumnos John Cockcroft y Ernest Walton, para dividir el litio en partículas alfa mediante el bombardeo con los protones procedentes de un acelerador de partículas. Rutherford se dio cuenta que la energía liberada por los átomos de litio era enorme

IMÁGENES FAMILIARES

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La casa de Foxhill, donde Ernest pasó parte de su infancia.
La familia de un propietario posterior aparece en la foto.

Martha Rutherford con Eva y (de izquierda a derecha) Charles, Ernest, Jim y Herbert, 1885.
Ernest tenía 14 años.

Fotografía de May Newton de 1896, dirigida a su prometido, Ernest Rutherford, mientras él continuaba sus estudios en Cambridge , Inglaterra, y ella aún vivía en Chirstchurch, Nueva Zelanda.

JJ Thomson, como muchos profesores de física destacados de finales del siglo XIX, reunió a su alrededor a un grupo de jóvenes y brillantes "estudiantes de investigación". Directamente detrás de él está su protegido, Ernest Rutherford. A la izquierda de Rutherford está CTR Wilson (conocido por su cámara de niebla) ya la izquierda de Thomson está Paul Langevin, quien más tarde trabajó con los Curie.

Grupo de Investigación, Montreal, 1905–6. Fila superior: G. Dunn, R. Lawrence, Gordon,
L. Levi, RW Boyle. Fila central: RK McClung, Otto Hahn, AS Eve.
Fila inferior: M. Levin, HT Barnes, John Cox y Ernest Rutherford.

Rutherford siempre reunió a su alrededor a un grupo de jóvenes investigadores brillantes. En esta foto grupal de 1910 están Ernest Marsden y Hans Geiger. Al frente y al centro están los profesores Schuster y Rutherford, y al centro en la parte trasera está William Kay, el talentoso y servicial administrador de laboratorio.

Hans Geiger fue el principal socio de Rutherford en la investigación de rayos alfa desde 1907 hasta 1913. Juntos desarrollaron varias formas de detectar rayos alfa. Demostraron que los rayos alfa son núcleos de helio doblemente ionizados. California. 1908.

Cockcroft, Rutherford y Walton en 1932, poco después de acelerar protones contra un objetivo de litio, dividiendo el núcleo de litio en dos partículas alfa, es decir, núcleos de helio. Esto demostró no sólo la “transmutación” de los elementos, sino también la fórmula de Einstein E=mc ² , ya que una ligera pérdida de masa producía partículas alfa energéticas.