Ernest Rutherford, primer barón Rutherford de Nelson , OM , FRS , HonFRSE [7] (30 de agosto de 1871 - 19 de octubre de 1937), fue un físico neozelandés que fue un investigador pionero tanto en física atómica como nuclear . Ha sido descrito como "el padre de la física nuclear", [8] y "el mayor experimentalista desde Michael Faraday ". [9] En 1908, fue galardonado con el Premio Nobel de Química "por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas". Fue el primer premio Nobel de Oceanía y el primero en realizar el trabajo premiado en Canadá .
Los descubrimientos de Rutherford incluyen el concepto de vida media radiactiva , el elemento radiactivo radón y la diferenciación y denominación de la radiación alfa y beta . Junto con Thomas Royds , a Rutherford se le atribuye la prueba de que la radiación alfa está compuesta de núcleos de helio . [10] [11] En 1911, teorizó que los átomos tienen su carga concentrada en un núcleo muy pequeño . [12] Esto se hizo a través de su descubrimiento e interpretación de la dispersión de Rutherford durante el experimento de la lámina de oro realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden , lo que resultó en su concepción del modelo atómico de Rutherford . En 1917, realizó la primera reacción nuclear inducida artificialmente al realizar experimentos en los que se bombardearon núcleos de nitrógeno con partículas alfa. Como resultado, descubrió la emisión de una partícula subatómica a la que inicialmente llamó "átomo de hidrógeno", pero que luego (con más precisión) denominó protón . [13] [14] También se le atribuye el desarrollo del sistema de numeración atómica junto con Henry Moseley . Entre sus otros logros se incluyen el avance en los campos de las comunicaciones por radio y la tecnología de ultrasonidos .
En 1919, Rutherford se convirtió en director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Bajo su dirección, James Chadwick descubrió el neutrón en 1932. Ese mismo año, John Cockcroft y Ernest Walton , bajo su dirección, realizaron el primer experimento controlado para dividir el núcleo. En honor a sus avances científicos, Rutherford fue reconocido como barón del Reino Unido. Tras su muerte en 1937, fue enterrado en la Abadía de Westminster, cerca de Charles Darwin e Isaac Newton . El elemento químico rutherfordio ( 104 Rf) recibió su nombre en 1997.
Ernest Rutherford nació el 30 de agosto de 1871 en Brightwater , una ciudad cerca de Nelson , Nueva Zelanda. [15] Fue el cuarto de doce hijos de James Rutherford, un granjero y mecánico inmigrante de Perth , Escocia, y su esposa Martha Thompson, una maestra de escuela de Hornchurch , Inglaterra. [15] [16] [17] El certificado de nacimiento de Rutherford fue escrito por error como 'Earnest'. Su familia lo conocía como Ern. [15] [17]
Cuando Rutherford tenía cinco años se mudó a Foxhill, Nueva Zelanda, y asistió a la escuela Foxhill. A los 11 años, en 1883, la familia Rutherford se mudó a Havelock , una ciudad en Marlborough Sounds . La mudanza se hizo para estar más cerca de la fábrica de lino que el padre de Rutherford había desarrollado. [17] Ernest estudió en la escuela Havelock . [18]
En 1887, en su segundo intento, ganó una beca para estudiar en el Nelson College . [17] En su primer intento de examen, recibió 75 de 130 puntos en geografía, 76 de 130 en historia, 101 de 140 en inglés y 200 de 200 en aritmética, totalizando 452 de 600 puntos. [19] Con estas notas, tuvo la más alta de todos los de Nelson. [20] Cuando le concedieron la beca, había recibido 580 de 600 puntos posibles. [21] Después de recibir la beca, Havelock School le regaló un conjunto de cinco volúmenes de libros titulado The Peoples of the World . [22] Estudió en el Nelson College entre 1887 y 1889, y fue delegado en 1889. También jugó en el equipo de rugby de la escuela. [17] Le ofrecieron un puesto de cadete en el servicio gubernamental, pero lo rechazó porque todavía le quedaban 15 meses de universidad. [23]
En 1889, después de su segundo intento, ganó una beca para estudiar en el Canterbury College , Universidad de Nueva Zelanda , entre 1890 y 1894. Participó en su sociedad de debates y en la Sociedad de Ciencias. [17] En Canterbury, recibió una licenciatura en latín, inglés y matemáticas en 1892, una maestría en matemáticas y ciencias físicas en 1893 y una licenciatura en química y geología en 1894. [24] [25]
Posteriormente, inventó una nueva forma de receptor de radio y en 1895 Rutherford recibió una beca de investigación de la Comisión Real para la Exposición de 1851 , [26] [27] para viajar a Inglaterra para realizar estudios de posgrado en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge . [28] En 1897, recibió una licenciatura en investigación y la beca Coutts-Trotter del Trinity College de Cambridge . [24]
Cuando Rutherford comenzó sus estudios en Cambridge, fue uno de los primeros "extranjeros" (aquellos sin un título de Cambridge) a los que se les permitió realizar investigaciones en la universidad, y además tuvo el honor de estudiar con JJ Thomson . [1]
Con el estímulo de Thomson, Rutherford detectó ondas de radio a 0,5 millas (800 m) y durante un breve período mantuvo el récord mundial de distancia a la que se podían detectar ondas electromagnéticas, aunque cuando presentó sus resultados en la reunión de la Asociación Británica en 1896, descubrió que había sido superado por Guglielmo Marconi , cuyas ondas de radio habían enviado un mensaje a casi 10 millas (16 km). [29]
Nuevamente bajo el liderazgo de Thomson, Rutherford trabajó en los efectos conductores de los rayos X sobre los gases, lo que llevó al descubrimiento del electrón , cuyos resultados fueron presentados por primera vez por Thomson en 1897. [30] [31] Al enterarse de la experiencia de Henri Becquerel con el uranio , Rutherford comenzó a explorar su radiactividad , descubriendo dos tipos que se diferenciaban de los rayos X en su poder de penetración. Continuando su investigación en Canadá, en 1899 acuñó los términos " rayo alfa " y " rayo beta " para describir estos dos tipos distintos de radiación . [32]
En 1898, Rutherford fue aceptado en la cátedra de profesor de física Macdonald en la Universidad McGill en Montreal, Canadá, por recomendación de Thomson. [33] De 1900 a 1903, se unió a él en McGill el joven químico Frederick Soddy ( Premio Nobel de Química , 1921) para quien le planteó el problema de identificar el gas noble emitido por el elemento radiactivo torio , una sustancia que era radiactiva en sí misma y recubría otras sustancias. Una vez que hubo eliminado todas las reacciones químicas normales, Soddy sugirió que debía ser uno de los gases inertes, al que llamaron torón . Más tarde se descubrió que esta sustancia era 220 Rn , un isótopo del radón. [34] [24] También encontraron otra sustancia que llamaron torio X, identificada más tarde como 224 Rn , y continuaron encontrando trazas de helio. También trabajaron con muestras de "Uranio X" ( protactinio ), de William Crookes , y radio , de Marie Curie . Rutherford investigó más a fondo el torón junto con RB Owens y descubrió que una muestra de material radiactivo de cualquier tamaño invariablemente tardaba la misma cantidad de tiempo en desintegrarse la mitad de la muestra (en este caso, 11 1 ⁄ 2 minutos), un fenómeno para el cual acuñó el término " vida media ". [34] Rutherford y Soddy publicaron su artículo "Ley del cambio radiactivo" para dar cuenta de todos sus experimentos. Hasta entonces, se suponía que los átomos eran la base indestructible de toda la materia; y aunque Curie había sugerido que la radiactividad era un fenómeno atómico, la idea de que los átomos de las sustancias radiactivas se rompieran era una idea radicalmente nueva. Rutherford y Soddy demostraron que la radiactividad implicaba la desintegración espontánea de los átomos en otra materia, aún no identificada. [24]
En 1903, Rutherford consideró un tipo de radiación, descubierta (pero no nombrada) por el químico francés Paul Villard en 1900, como una emisión de radio , y se dio cuenta de que esta observación debía representar algo diferente de sus propios rayos alfa y beta, debido a su poder de penetración mucho mayor. Por lo tanto, Rutherford le dio a este tercer tipo de radiación el nombre de rayo gamma . [32] Los tres términos de Rutherford se usan actualmente; desde entonces se han descubierto otros tipos de desintegración radiactiva , pero los tres tipos de Rutherford se encuentran entre los más comunes. En 1904, Rutherford sugirió que la radiactividad proporciona una fuente de energía suficiente para explicar la existencia del Sol durante los muchos millones de años necesarios para la lenta evolución biológica en la Tierra propuesta por biólogos como Charles Darwin . El físico Lord Kelvin había defendido anteriormente una Tierra mucho más joven, basándose en la insuficiencia de fuentes de energía conocidas, pero Rutherford señaló, en una conferencia a la que asistió Kelvin, que la radiactividad podría resolver este problema. [35] Más tarde ese año, fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Americana , [36] y en 1907 regresó a Gran Bretaña para ocupar la cátedra de física en la Universidad Victoria de Manchester . [37]
En Manchester, Rutherford continuó su trabajo con la radiación alfa. Junto con Hans Geiger , desarrolló pantallas de centelleo de sulfuro de cinc y cámaras de ionización para contar partículas alfa. Al dividir la carga total acumulada en la pantalla por el número contado, Rutherford determinó que la carga de la partícula alfa era dos. [38] [39] : 61 A finales de 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds permitieron que las partículas alfa penetraran una ventana muy fina en un tubo de vacío. A medida que provocaban la descarga del tubo , el espectro obtenido de él cambiaba, ya que las partículas alfa se acumulaban en el tubo. Finalmente, apareció el espectro claro del gas helio, lo que demostraba que las partículas alfa eran al menos átomos de helio ionizados y, probablemente, núcleos de helio. [40] En 1910, Rutherford, junto con Geiger y el matemático Harry Bateman publicaron [41] su artículo clásico [42] : 94, que describe el primer análisis de la distribución en el tiempo de la emisión radiactiva, una distribución ahora llamada distribución de Poisson .
Ernest Rutherford recibió el Premio Nobel de Química en 1908 "por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas". [43] [24]
Rutherford continuó haciendo descubrimientos innovadores mucho después de recibir el premio Nobel en 1908. [39] : 63 Bajo su dirección en 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron el experimento Geiger-Marsden , que demostró la naturaleza nuclear de los átomos midiendo la desviación de las partículas alfa que pasan a través de una fina lámina de oro. [44] Rutherford se inspiró para pedir a Geiger y Marsden en este experimento que buscaran partículas alfa con ángulos de desviación muy altos, lo que no se esperaba según ninguna teoría de la materia en ese momento. [45] [46] Tales ángulos de desviación, aunque raros, se encontraron. Reflexionando sobre estos resultados en una de sus últimas conferencias, Rutherford fue citado diciendo: "Fue el evento más increíble que me ha sucedido en mi vida. Fue casi tan increíble como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas a un trozo de papel de seda y regresara y te golpeara". [47] Fue la interpretación que Rutherford hizo de estos datos lo que lo llevó a formular el modelo de Rutherford del átomo en 1911: un núcleo cargado muy pequeño que contiene gran parte de la masa del átomo. [48]
En 1912, Rutherford se unió a Niels Bohr (quien postuló que los electrones se movían en órbitas específicas alrededor del núcleo compacto). Bohr adaptó la estructura nuclear de Rutherford para que fuera coherente con la hipótesis cuántica de Max Planck . El modelo de Rutherford-Bohr resultante fue la base de la física atómica mecano-cuántica de Heisenberg, que sigue siendo válida en la actualidad. [24]
Durante la Primera Guerra Mundial, Rutherford trabajó en un proyecto de alto secreto para resolver los problemas prácticos de la detección de submarinos. Tanto Rutherford como Paul Langevin sugirieron el uso de la piezoelectricidad , y Rutherford desarrolló con éxito un dispositivo que medía su salida. El uso de la piezoelectricidad se volvió entonces esencial para el desarrollo del ultrasonido tal como lo conocemos hoy. Sin embargo, la afirmación de que Rutherford desarrolló el sonar es un error, ya que las tecnologías de detección subacuática utilizan el transductor de Langevin . [49] [50]
Junto con H. G. Moseley , Rutherford desarrolló el sistema de numeración atómica en 1913. Los experimentos de Rutherford y Moseley utilizaron rayos catódicos para bombardear varios elementos con corrientes de electrones y observaron que cada elemento respondía de manera consistente y distinta. Su investigación fue la primera en afirmar que cada elemento podía definirse por las propiedades de sus estructuras internas, una observación que más tarde condujo al descubrimiento del núcleo atómico . [24] Esta investigación llevó a Rutherford a teorizar que el átomo de hidrógeno (en ese momento la entidad menos masiva conocida por tener una carga positiva) era una especie de "electrón positivo", un componente de cada elemento atómico. [51] [52]
No fue hasta 1919 que Rutherford amplió su teoría del "electrón positivo" con una serie de experimentos que comenzaron poco antes de terminar su estancia en Manchester. Descubrió que el nitrógeno y otros elementos ligeros expulsaban un protón, al que llamó "átomo de hidrógeno", cuando chocaban con partículas α (alfa). [24] En particular, demostró que las partículas expulsadas por partículas alfa que chocan con el hidrógeno tienen una carga unitaria y 1/4 del momento de las partículas alfa. [53]
Rutherford regresó al Laboratorio Cavendish en 1919, sucediendo a JJ Thomson como profesor de Cavendish y director del laboratorio, puestos que ocupó hasta su muerte en 1937. [54] Durante su mandato, se otorgaron premios Nobel a James Chadwick por descubrir el neutrón (en 1932), a John Cockcroft y Ernest Walton por un experimento que se conocería como la división del átomo utilizando un acelerador de partículas , y a Edward Appleton por demostrar la existencia de la ionosfera .
En 1919-1920, Rutherford continuó su investigación sobre el "átomo de hidrógeno" para confirmar que las partículas alfa descomponen los núcleos de nitrógeno y afirmar la naturaleza de los productos. Este resultado mostró a Rutherford que los núcleos de hidrógeno eran parte de los núcleos de nitrógeno (y por inferencia, probablemente también de otros núcleos). Tal construcción se había sospechado durante muchos años, sobre la base de pesos atómicos que eran múltiplos enteros del del hidrógeno; véase la hipótesis de Prout . Se sabía que el hidrógeno era el elemento más ligero, y sus núcleos presumiblemente los núcleos más ligeros. Ahora bien, debido a todas estas consideraciones, Rutherford decidió que un núcleo de hidrógeno era posiblemente un bloque de construcción fundamental de todos los núcleos, y también posiblemente una nueva partícula fundamental, ya que no se sabía nada que fuera más ligero que ese núcleo. Así, confirmando y ampliando el trabajo de Wilhelm Wien , quien en 1898 descubrió el protón en corrientes de gas ionizado , [55] en 1920 Rutherford postuló que el núcleo del hidrógeno era una nueva partícula, a la que denominó protón . [56]
En 1921, mientras trabajaba con Niels Bohr, Rutherford teorizó sobre la existencia de neutrones (a los que había bautizado en su Bakerian Lecture de 1920 ), que podrían compensar de algún modo el efecto repelente de las cargas positivas de los protones al provocar una fuerza nuclear atractiva y evitar así que los núcleos se separaran, debido a la repulsión entre protones. La única alternativa a los neutrones era la existencia de "electrones nucleares", que contrarrestarían algunas de las cargas de los protones en el núcleo, ya que para entonces se sabía que los núcleos tenían aproximadamente el doble de masa de la que podría explicarse si simplemente se ensamblaran a partir de núcleos de hidrógeno (protones). Pero cómo estos electrones nucleares podían quedar atrapados en el núcleo era un misterio.
En 1932, la teoría de los neutrones de Rutherford fue demostrada por su colaborador James Chadwick , quien reconoció los neutrones inmediatamente cuando fueron producidos por otros científicos y más tarde por él mismo, al bombardear berilio con partículas alfa. En 1935, Chadwick recibió el Premio Nobel de Física por este descubrimiento. [57]
En su artículo de cuatro partes sobre la "Colisión de partículas alfa con átomos ligeros", Rutherford informó de dos descubrimientos fundamentales y de gran alcance adicionales. [39] : 237 En primer lugar, demostró que en ángulos elevados la dispersión de partículas alfa del hidrógeno difería de los resultados teóricos que él mismo publicó en 1911. Estos fueron los primeros resultados que investigaron las interacciones que mantienen unido a un núcleo. En segundo lugar, demostró que las partículas alfa que colisionan con núcleos de nitrógeno reaccionarían en lugar de simplemente rebotar. Un producto de la reacción fue el protón; Patrick Blackett , colega y ex alumno de Rutherford, demostró que el otro producto era el oxígeno:
Blackett recibió el premio Nobel en 1948 por su trabajo en el perfeccionamiento del aparato de cámara de nubes de alta velocidad utilizado para hacer ese descubrimiento y muchos otros. [58] Por lo tanto, Rutherford reconoció "que el núcleo puede aumentar en lugar de disminuir en masa como resultado de colisiones en las que se expulsa el protón". [59]
Rutherford recibió un reconocimiento significativo en su país natal, Nueva Zelanda. En 1901, obtuvo un DSc de la Universidad de Nueva Zelanda. [28] En 1916, fue galardonado con la Medalla Hector Memorial . [60] En 1925, Rutherford pidió al gobierno de Nueva Zelanda que apoyara la educación y la investigación, lo que llevó a la formación del Departamento de Investigación Científica e Industrial (DSIR) al año siguiente. [61] En 1933, Rutherford fue uno de los dos primeros destinatarios de la Medalla TK Sidey , que fue establecida por la Royal Society de Nueva Zelanda como un premio a la investigación científica destacada. [62] [63]
Además, Rutherford recibió varios premios de la Corona británica. Fue nombrado caballero en 1914. [64] Fue nombrado miembro de la Orden del Mérito en los Honores de Año Nuevo de 1925. [ 65] Entre 1925 y 1930, se desempeñó como presidente de la Royal Society , y más tarde como presidente del Consejo de Asistencia Académica que ayudó a casi 1.000 refugiados universitarios de Alemania. [9] En 1931 fue elevado a barón del Reino Unido con el título de barón Rutherford de Nelson , [66] decorando su escudo de armas con un kiwi y un guerrero maorí . [67] El título se extinguió tras su inesperada muerte en 1937.
El joven Rutherford le hizo a su abuela un machacador de patatas de madera, que se cree que fue fabricado durante las vacaciones escolares. Se conserva en la colección de la Royal Society desde 1888. [68] [69]
En 1900, Rutherford se casó con Mary Georgina Newton (1876-1954), [70] con quien se había comprometido antes de dejar Nueva Zelanda, en la Iglesia Anglicana de San Pablo, Papanui en Christchurch . [71] [72] Tuvieron una hija, Eileen Mary (1901-1930), que se casó con el físico Ralph Fowler . Los pasatiempos de Rutherford incluían el golf y el automovilismo . [24]
Durante algún tiempo antes de su muerte, Rutherford tuvo una pequeña hernia que no se había arreglado y que se le estranguló, lo que le provocó una grave enfermedad. A pesar de una operación de urgencia en Londres, murió cuatro días después, en Cambridge el 19 de octubre de 1937 a los 66 años, de lo que los médicos denominaron "parálisis intestinal". [73] Después de la cremación en el Crematorio de Golders Green , [73] se le concedió el alto honor de ser enterrado en la Abadía de Westminster , cerca de Isaac Newton y otros ilustres científicos británicos como Charles Darwin . [24] [74]
Se considera a Rutherford uno de los científicos más importantes de la historia. En la sesión inaugural del Congreso Científico Indio de 1938 , que se esperaba que Rutherford presidiera antes de su muerte, el astrofísico James Jeans habló en su lugar y lo consideró "uno de los científicos más importantes de todos los tiempos", diciendo:
En su habilidad para encontrar la línea de enfoque adecuada para un problema, así como en la sencillez y franqueza de sus métodos de ataque, [Rutherford] a menudo nos recuerda a Faraday, pero tenía dos grandes ventajas que Faraday no poseía: primero, una salud corporal y una energía exuberantes, y segundo, la oportunidad y la capacidad de dirigir a un grupo de colaboradores entusiastas. Por grande que fuera la producción de Faraday, me parece que para igualar la obra de Rutherford tanto en cantidad como en calidad, debemos remontarnos a Newton. En algunos aspectos fue más afortunado que Newton. Rutherford fue siempre el guerrero feliz: feliz en su trabajo, feliz en su resultado y feliz en sus contactos humanos. [75]
Rutherford es conocido como "el padre de la física nuclear" porque su investigación y el trabajo realizado bajo su dirección como director de laboratorio establecieron la estructura nuclear del átomo y la naturaleza esencial de la desintegración radiactiva como un proceso nuclear. [8] [76] [30] Patrick Blackett , un investigador que trabajaba bajo la dirección de Rutherford, demostró la transmutación nuclear inducida utilizando partículas alfa naturales . Más tarde, el equipo de Rutherford, utilizando protones de un acelerador, demostró reacciones nucleares y transmutación inducidas artificialmente . [77]
Rutherford murió demasiado pronto para ver cómo se hacía realidad la idea de Leó Szilárd de las reacciones nucleares en cadena controladas. Sin embargo, Szilárd informó que un discurso de Rutherford sobre su transmutación inducida artificialmente en litio, publicado en la edición del 12 de septiembre de 1933 de The Times , había sido su inspiración para pensar en la posibilidad de una reacción nuclear en cadena controlada que produjera energía . [78]
El discurso de Rutherford se refirió al trabajo de 1932 de sus estudiantes John Cockcroft y Ernest Walton en la "división" del litio en partículas alfa mediante el bombardeo de protones desde un acelerador de partículas que habían construido. Rutherford se dio cuenta de que la energía liberada por los átomos de litio divididos era enorme, pero también se dio cuenta de que la energía necesaria para el acelerador, y su ineficiencia esencial para dividir los átomos de esta manera, hacían que el proyecto fuera imposible como fuente práctica de energía (la fisión de elementos ligeros inducida por aceleradores sigue siendo demasiado ineficiente para ser utilizada de esta manera, incluso hoy en día). El discurso de Rutherford, en parte, decía:
En estos procesos podríamos obtener mucha más energía que la que proporciona el protón, pero en promedio no podríamos esperar obtener energía de esta manera. Era una forma muy pobre e ineficiente de producir energía, y cualquiera que buscara una fuente de energía en la transformación de los átomos estaba hablando tonterías. Pero el tema era científicamente interesante porque proporcionaba información sobre los átomos. [79] [80]
El elemento rutherfordio , Rf, Z=104, fue nombrado en honor a Rutherford en 1997. [81]
La expedición incluyó al profesor James Martin Benade (profesor de física en el Forman Christian College de Lahore) y al Dr. Nazir Ahmad (estudiante de doctorado de Ernest Rutherford en Cambridge, que más tarde se convirtió en el primer presidente de la Comisión de Energía Atómica de Pakistán en 1956).
Zhang estudió con Ernest Rutherford a mediados de la década de 1930 y recibió su título en la Universidad de Cambridge en 1938.
