Ernest Rutherford
gigatos | enero 22, 2022
Resumen
Ernest Rutherford, Primer Barón de Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30 de agosto de 1871 Spring Grove, Nueva Zelanda – 19 de octubre de 1937 Cambridge, Inglaterra, Reino Unido) fue un físico británico nacido en Nueva Zelanda.
Rutherford tuvo la oportunidad de educarse desde la infancia y la aprovechó para tener éxito en sus estudios. Realizó sus propias investigaciones cuando aún era estudiante y fue aceptado en su primer grupo de investigación como estudiante de postgrado en la Universidad de Cambridge, Inglaterra. Este fue el comienzo de las investigaciones del físico sobre la radiactividad. Estas actividades continuaron a lo largo de su vida en varias universidades de todo el mundo, produciendo importantes logros.
Entre los grandes descubrimientos de la física, se le atribuye el descubrimiento del núcleo atómico en un experimento que ahora se conoce como el experimento de Rutherford. Estudió la radiactividad y fue el primero en introducir los términos de radiación alfa, beta y gamma. Rutherford fue el primero en descubrir que la mitad del material radiactivo decae en un tiempo constante (vida media). Rutherford también descubrió el protón y planteó la hipótesis de la existencia de partículas sin carga, los neutrones, en el átomo. Rutherford recibió el Premio Nobel de Química en 1908 por sus investigaciones sobre la química de los elementos radiactivos.
Ernest nació en Spring Grove, Nueva Zelanda, el 30 de agosto de 1871. El padre de Ernest, James Rutherford, y su madre, Martha Thompson, habían emigrado con sus padres a Nueva Zelanda a mediados del siglo XIX, el padre James desde Escocia a los 4 años y la madre Martha desde Inglaterra a los 13. Ernest nació en una familia de clase media. Según varias fuentes, su padre trabajó como agricultor y molinero de lino durante su vida, y dirigió su propio aserradero, donde el joven Ernest también trabajó mucho. Ernest estaba rodeado de gente muy trabajadora y con buenos conocimientos técnicos. Su padre también reparaba y mantenía la maquinaria y las piezas de varios molinos. Su madre era maestra y enseñaba a leer y escribir a todos sus hijos. En la familia Rutherford nacieron 12 hijos, cinco niñas y siete niños. Ernest era el cuarto hijo y el segundo mayor. Tres de los hermanos de Ernest murieron en la infancia, uno al nacer y dos se ahogaron lamentablemente en un viaje familiar. Esto provocó la depresión de la madre de Ernest, de la que nunca se recuperó en vida.
Todos los hijos de Rutherford recibieron una buena educación porque sus padres valoraban la educación. La apreciación de los padres se debe a que el padre James nunca tuvo la oportunidad y la madre Martha sí. Su madre creía que «todo conocimiento es poder». Ernest pasó sus años escolares en las escuelas rurales del lugar donde vivía hasta 1886 (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Recibió su primer libro de ciencias de la escuela a los 10 años. Ese mismo año, Rutherford construyó su propio cañón en miniatura, que afortunadamente explotó sin causar ningún daño.
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Años de estudio
En 1887, en su segundo intento, Ernest, de 15 años, obtuvo una beca del Consejo de Educación de Marlborough para el Nelson College, una escuela secundaria privada. Se mudó de casa y estudió con éxito todas las asignaturas, especialmente matemáticas y ciencias. Mientras estudiaba, era un gran jugador de rugby. Tras dejar la escuela en 1890, también en su segundo intento, Ernest consiguió una beca para el Canterbury College de Christchurch, una de las cuatro universidades neozelandesas. En Canterbury, Rutherford tuvo la suerte de recibir clases de profesores brillantes que realmente le hicieron interesarse por la investigación científica. Durante sus tres años de carrera, estudió latín, francés y matemáticas. En 1892 se licenció (Bachelor of Arts) en matemáticas, matemáticas aplicadas, latín, inglés, francés y física. Gracias a sus excelentes calificaciones, se le concedió una beca para cursar un año de estudios de posgrado (año de «Honours»). Durante este año adicional, el Sr. Rutherford se licenció en Geología y Química. También estudió más matemáticas y física mientras realizaba investigaciones independientes, centradas principalmente en la teoría de la electricidad y el magnetismo. En esa época, sus principales investigaciones se centraron en la inducción magnética de alta frecuencia y la viscosidad magnética del hierro y el acero, temas sobre los que también publicó sus primeros trabajos. Durante sus investigaciones también desarrolló algunos dispositivos físicos nuevos, como un detector de pulsos de corriente rápida. Fue en esta época cuando conoció y se enamoró de Mary Newton, la hija del propietario del piso donde estudiaba.
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Como estudiante de posgrado en la universidad
Después de la universidad, la ambición de Rutherford era convertirse en investigador del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge (Inglaterra). Su deseo se cumplió afortunadamente cuando James Maclaurin, uno de los otros aspirantes, rechazó el puesto por no estar de acuerdo con las condiciones de la beca. Así que Rutherford abandonó Nueva Zelanda para ir a Inglaterra y se convirtió en el primer posgraduado que se graduó fuera de Cambridge (1895-98). Así, Rutherford comenzó su trabajo de investigación con el grupo de investigación del profesor J.J. Thompson en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Como ambicioso estudiante de posgrado, fue el primero en transmitir y recibir con éxito ondas electromagnéticas. En sus investigaciones, consiguió transmitir ondas electromagnéticas a una distancia de media milla, un récord mundial en aquella época. Además de demostrar que una descarga oscilante magnetizaba el hierro, Rutherford descubrió que una aguja magnetizada perdía su magnetismo en un campo magnético producido por una corriente alterna. Esto convirtió a la aguja en un detector de radiación electromagnética, hecho que también había sido descubierto al mismo tiempo por el físico alemán Heinrich Hertz en su laboratorio. Los resultados de Rutherford eran más sencillos y tenían más potencial comercial. Cuando Rutherford se enteró del descubrimiento de los rayos X por el alemán Wilhelm Röntgen, se dedicó con gusto, a petición de J.J. Thompson, a estudiar el efecto de los rayos X en la conducción de la electricidad en los gases. Los estudios de Thompson y Rutherford condujeron a la observación de la ionización, la descomposición de átomos y moléculas en partes positivas y negativas (iones) y la atracción de estas partículas cargadas hacia electrodos opuestos. Las investigaciones de Rutherford también se centraron en la radiación productora de iones, la radiación ultravioleta y la radiación emitida por el uranio. Rutherford descubrió que la radiación emitida por el uranio era mucho más compleja de lo que se pensaba. Pronto empezó a comprender el concepto de radiactividad, que se convirtió en su principal interés y, por tanto, en el trabajo de su vida. En 1898 descubrió que los átomos radiactivos, en su investigación los átomos de uranio, emiten dos tipos de radiación. Las denominó radiación alfa (α) y beta (β). Muy pronto, la radiación beta resultó ser electrones rápidos. Durante varios años, los científicos centraron su atención en el estudio de las radiaciones alfa y beta. Además de su trabajo de investigación, él y J.J. Thompson pudieron asistir a las reuniones de la Royal Society y la British Association. Esto le dio la oportunidad de compartir los resultados de sus investigaciones y demostrar su talento, y dejó una huella duradera en la Universidad de Cambridge.
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Investigación y logros en las universidades
Universidad McGill, Montreal, Canadá (1898-1907)
Universidad de Manchester, Inglaterra (1907-19)
Universidad de Cambridge, Laboratorio Cavendish, Inglaterra (1919-1937)
En 1898, Rutherford aceptó una cátedra en la Universidad McGill de Montreal, Canadá (1898-1907). La universidad tenía laboratorios bien equipados, así que Rutherford se trasladó al otro lado del océano. Contrató a un joven químico, Frederick Soddy, para que le ayudara en sus investigaciones, y a una estudiante de posgrado, Harriet Brooks, como asistente. Con su ayuda, demostró el misterio de la desintegración radiactiva: los átomos de algunos elementos se descomponen espontáneamente en átomos de elementos más ligeros. Este fue uno de los avances de su carrera. Tras descubrir que el producto final de la desintegración del uranio es el plomo, Rutherford se dio cuenta de que midiendo las proporciones relativas de uranio y plomo en los minerales y la velocidad de desintegración de los átomos de uranio, se podía determinar la edad de los minerales. La datación radiactiva de muestras de suelo sigue siendo una parte importante de la investigación geológica actual. Como resultado de los estudios sobre la desintegración de los elementos pesados, se desarrolló el concepto de vida media, el tiempo que tarda la mitad de los núcleos atómicos de una sustancia radiactiva en desintegrarse en otros núcleos atómicos.
Entre 1902 y 1903, Rutherford y Soddy desarrollaron la teoría de la desintegración como explicación de la radiactividad, lo que se considera el mayor logro de Rutherford en la Universidad McGill. En la alquimia y en la teoría de los elementos de transición se consideraba que los átomos eran estables, pero Rutherford y Soddy sostenían que la energía radiactiva procedía del interior del átomo y que la emisión espontánea de partículas alfa y beta marcaba la transformación química de los átomos de un elemento a otro. La abrumadora evidencia de los estudios experimentales sofocó a los escépticos. Rutherford pensó que la partícula alfa era la que más contribuía a este cambio químico debido a la masa concreta de la partícula alfa. Identificó una carga positiva en la partícula alfa, pero no pudo determinar aún si se trataba de un ion de hidrógeno o de helio.
Durante su estancia en la Universidad McGill, Rutherford aceptó cada vez más estudiantes de investigación, incluidas mujeres, de las que había pocas en la universidad en aquella época. Era una conferenciante y periodista muy solicitada. Fue elegido miembro de la Royal Society de Canadá en 1900 y de la Royal Society de Londres en 1903. También escribió los libros de texto más importantes sobre radiactividad durante este periodo. Su primer libro sobre la radiactividad se publicó en 1904. Recibió becas, medallas y muchas ofertas de trabajo. Más tarde, en 1908, recibió el Premio Nobel de Química por sus investigaciones sobre la descomposición de los elementos y sus resultados químicos sobre las sustancias radiactivas. Un desconcertado Rutherford decía a menudo a sus amigos que el cambio más rápido que conocía era su transición de físico a químico.
En 1900, Rutherford regresó brevemente a Nueva Zelanda para casarse con su amada Mary Newton. Su única hija, Eileen, nació en 1901. La pareja visitó Nueva Zelanda en 1905 para renovar los lazos con sus familias.
Rutherford nunca quería quedarse quieto mucho tiempo y a menudo tenía en mente nuevas posibilidades alternativas. Norteamérica tenía una buena comunidad científica, pero el centro de la física terrestre estaba en Europa. Inglaterra le atrajo de nuevo. Inglaterra estaba más cerca de los principales centros científicos y tenía más y mejores estudiantes graduados. En 1907, cuando le ofrecieron a Rutherford el puesto de director de la Universidad de Manchester, aceptó.
En la Universidad de Manchester, Rutherford volvió a centrar sus investigaciones en las radiaciones alfa, beta y gamma y en cómo estos tipos de radiación podían aportar nuevos conocimientos sobre la naturaleza de los átomos. Dejó la radioquímica en manos de otros científicos y volvió a la física. Rutherford consiguió demostrar en sus estudios físicos lo que hacía tiempo que sospechaba. La partícula alfa era un átomo de helio sin sus electrones. Sin embargo, quería mejores pruebas para respaldar sus conclusiones y llevó a cabo varios experimentos nuevos con su equipo de investigación. Junto con Hans Geiger, Rutherford desarrolló un detector eléctrico, el «electrómetro», para detectar partículas ionizadas. Con este instrumento pudo determinar constantes físicas de importancia experimental, entre ellas la constante de Avogadro. Más tarde, Geiger completó con Walther Mϋller un instrumento para medir la radiactividad, el tubo Geiger (Mϋller), que todavía hoy es un instrumento universal para medir la radiactividad. Bajo la dirección de Geiger, Rutherford encargó a su joven estudiante Ernest Madsen que midiera el número relativo de partículas alfa con respecto al ángulo de dispersión y que determinara si alguna radiación alfa se reflejaba en los metales (lo que ahora se conoce como el experimento de Rutherford). Madsen descubrió que parte de la radiación alfa se reflejaba en los metales e incluso directamente en la fina película de oro. Este resultado sorprendió un poco incluso a Rutherford. A partir de estos resultados, concluyó en 1911 que casi toda la masa de un átomo se concentra en su diminuto núcleo, que es 1.000 veces más pequeño que el propio átomo, por lo que la mayor parte del átomo sería espacio vacío. Se ha encontrado el núcleo del átomo. Este segundo gran descubrimiento de Rutherford le dio fama duradera. En 1912, el físico danés Niels Bohr visitó el laboratorio de Rutherford y un año después demostró la importancia de los hallazgos de éste. Bohr demostró que la radiactividad se originaba en el núcleo del átomo y las propiedades químicas en los electrones que orbitan alrededor del núcleo. Utilizó la idea cuántica de Rutherford para crear un modelo orbital de los electrones del átomo. Así se creó un nuevo modelo atómico. Los modelos atómicos de Rutherford y Bohr siguen figurando en los libros de texto de química y física actuales. Además, la dispersión Rutherford se sigue utilizando para ayudar a los dispositivos de microelectrónica utilizados para detectar partículas nucleares y orbitales atómicos.
El año del estallido de la Primera Guerra Mundial (1914-1918), Rutherford fue nombrado caballero. Durante la guerra, realizó investigaciones para el gobierno, desarrollando métodos acústicos para detectar submarinos. Esta información se compartió con los estadounidenses. Al mismo tiempo, intentó sin éxito persuadir a los jóvenes científicos de que sería mejor utilizarlos para desarrollar e investigar los retos de la guerra en lugar de que sus vidas y su talento científico se destruyeran en las trincheras. Hacia el final de la guerra, en 1917, Rutherford volvió a la práctica de la ciencia atómica. Al bombardear átomos ligeros con radiación alfa, Rutherford observó que las partículas resultantes expulsadas tenían una energía superior a la de la radiación alfa y adivinó que las partículas eran núcleos de hidrógeno (protones H+). Basándose en esta observación, concluyó que el bombardeo había convertido simultáneamente átomos de nitrógeno en átomos de oxígeno. Por tanto, había conseguido utilizar partículas alfa (He2+) para convertir un elemento en otro como resultado de una reacción nuclear. Rutherford se convirtió así en el primer alquimista de éxito del mundo y el primero en dividir el núcleo, lo que le valió una reputación científica duradera. Estos resultados se publicaron después de la guerra, en 1919.
Después de la guerra, en 1919, volvió a sus raíces de investigador universitario y tuvo el honor de ocupar el puesto de profesor de física experimental en Cambridge y el de director del Laboratorio Cavendish, sucediendo al famoso Sir J. J. Thomson. Además, su tiempo lo ocupaban las tareas administrativas, por lo que ya no tenía tanto tiempo para concentrarse en la investigación como antes.
Rutherford invitó a James Chadwick, un estudiante graduado de Manchester, a unirse a él en Cavendish para continuar su investigación conjunta. En experimentos de laboratorio, bombardearon átomos ligeros con radiación alfa, provocando cambios en su estructura, pero no consiguieron penetrar en los núcleos de elementos más pesados con radiación alfa. Las cargas mutuas entre la radiación alfa y los núcleos de los átomos más pesados parecían repelerse. Además, no pudieron determinar si la partícula alfa se reflejó de vuelta, o si se fusionó con el núcleo para ser bombardeado de todos modos. Finalmente, a finales de los años 20, los avances en ecotecnología permitieron resolver estas cuestiones. Mientras tanto, en su primera década como profesor universitario y director de laboratorio, Rutherford se centró principalmente en la creación de grupos de investigación de primer nivel. Demostró ser un líder humano y solidario que se aseguró de que los estudiantes se llevaran el mérito de las investigaciones que tutelaba. Hizo campaña en la universidad para que las mujeres tuvieran los mismos derechos que los hombres.
En 1925, Rutherford viajó por última vez a Australia y Nueva Zelanda. Durante su visita de seis semanas a Nueva Zelanda dio varias conferencias públicas. Dondequiera que diera una conferencia, recibía una acogida respetuosa. Las salas estaban repletas de gente que quería oírle hablar de la estructura del átomo. Rutherford declaró que siempre había estado orgulloso de ser neozelandés. Expresó su apoyo a la educación y la investigación y recomendó que se hicieran investigaciones científicas que beneficiaran a los agricultores. Gracias a su apoyo, en 1926 se creó en Nueva Zelanda un Instituto de Investigación Científica e Industrial. Durante su visita a Nueva Zelanda, también pasó tiempo apoyando a sus padres enfermos.
La única hija de los Rutherford, Eileen, se casó con Ralph Fowler, un físico matemático del Laboratorio Cavendish. Tuvieron cuatro hijos, todos ellos con estudios superiores. La tristeza se apoderó de la familia Rutherford cuando Eileen murió de un coágulo de sangre en 1930, con sólo 29 años, nueve días después del nacimiento de su hijo menor y sólo dos días antes de la Navidad de 1930. El día de Año Nuevo de ese año, Rutherford fue creada barón, barón Rutherford de Nelson, pero este honor se vio ensombrecido por la tristeza de la muerte de su hija.
Con el desarrollo de la tecnología, la década de 1930 fue la edad de oro de los equipos de investigación de Rutherford. En 1932, James Chadwick descubrió el neutrón, demostrando que el núcleo estaba compuesto por protones y neutrones. Rutherford había predicho la existencia del neutrón una década antes y guió a Chadwick en sus investigaciones indicándole las propiedades que debía tener el neutrón. Ese mismo año, John Cockcroft y Ernest Walton consiguieron dividir el átomo de litio bombardeándolo con protones, los núcleos del átomo de hidrógeno, acelerados a muy alta velocidad por un acelerador de alto voltaje. El átomo de litio se dividió en dos partículas alfa. Más tarde, en 1951, ambos recibieron el Premio Nobel de Física por sus trabajos.
Tras la invención de la cámara de nubes (por el físico inglés Charles Wilson, Premio Nobel de Física en 1927), se obtuvieron pruebas visuales de lo que realmente ocurría en las colisiones. El físico inglés Patrick Blackett utilizó la cámara de nubes para estudiar 400 000 colisiones de partículas alfa y descubrió que la mayoría de ellas eran colisiones elásticas ordinarias. Sin embargo, algunas de las colisiones dieron lugar a la desintegración. En ellas, la radiación alfa penetraba en el núcleo del ion objetivo, tras lo cual el núcleo se dividía en dos. Este fue un paso muy importante en la comprensión de las reacciones nucleares y Blackett recibió el Premio Nobel de Física en 1948 por sus resultados. Bajo la dirección de Rutherford había comenzado una gran era científica. Años antes, Rutherford había supuesto que para penetrar en el núcleo de un átomo se necesitarían partículas aceleradas por unos pocos millones de voltios para igualar la energía de las partículas extraídas del átomo radiactivo. Para ello, durante años presionó a la industria de su país para que desarrollara fuentes de alta tensión. Sin embargo, George Gamow y Norman Feather, en sus propias investigaciones, hicieron un descubrimiento que demostró que las partículas de menor energía eran más eficaces para penetrar en el núcleo del átomo. Rutherford encargó un acelerador de partículas de bajo voltaje con un flujo de partículas mucho mejor. Gracias a ello, Gilbert Lewis pudo experimentar con hidrógeno más pesado, deuterio y tritio, y con helio ligero (He-3). Así, en 1932, Rutherford, el físico australiano Mark Oliphant y el químico alemán Paul Harteck colaboraron para lograr la primera reacción de fusión. Bombardearon deuterio (2H) con deuterones (2H+) para producir tritio (3H). Rutherford esperaba que la fisión nuclear, que podía liberar eficazmente la energía del uranio, no se descubriera hasta que los seres humanos pudieran vivir en armonía con sus vecinos. Sin embargo, esto se logró sólo unos años después de su muerte.
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Epílogo
Además de la ciencia, Rutherford tenía otros intereses, principalmente el golf y el automovilismo. Era liberal pero no tenía actividad política, aunque era miembro del Consejo Asesor del Instituto Gubernamental de Investigación Científica e Industrial y Presidente del Consejo Auxiliar Académico.
A lo largo de su vida, Rutherford recibió numerosos premios científicos y doctorados honoríficos en muchos países, así como subvenciones de muchas sociedades y organizaciones. Varios edificios llevan su nombre y ha aparecido en sellos de correos de cuatro países diferentes y en billetes de Nueva Zelanda. El elemento rutherfordium recibe su nombre en su honor.
Rutherford murió en Cambridge a la edad de 66 años, el 19 de octubre de 1937, por complicaciones de una operación de hernia, y fue enterrado en la Abadía de Westminster, Londres. Lady Rutherford se retiró a su vejez en su Nueva Zelanda natal, en Christchurch, donde murió en 1954.
«Fue casi tan increíble como bombardear papel de seda con proyectiles de 15 pulgadas y que rebotaran y me golpearan». (Rutherford dijo que su experimento fue el resultado de la investigación que condujo al descubrimiento del núcleo atómico).
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Fuentes
