Ernest Rutherford, primer barón Rutherford de Nelson , OM , PRS , HonFRSE [7] (30 de agosto de 1871 - 19 de octubre de 1937) fue un físico neozelandés que fue un investigador pionero en física atómica y nuclear . Rutherford ha sido descrito como "el padre de la física nuclear", [8] y "el mayor experimentalista desde Michael Faraday ". [9] En 1908, recibió 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 la obra premiada en Canadá.
Los descubrimientos de Rutherford incluyen el concepto de vida media radiactiva , el elemento radiactivo radón y la diferenciación y denominación de las radiaciones alfa y beta . Junto con Thomas Royds , a Rutherford se le atribuye haber demostrado 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 del átomo de Rutherford . En 1917, realizó la primera reacción nuclear inducida artificialmente mediante experimentos en los que se bombardeaban núcleos de nitrógeno con partículas alfa. Como resultado, descubrió la emisión de una partícula subatómica a la que inicialmente llamó "átomo de hidrógeno", pero más tarde (más exactamente) llamó protón . [13] [14] También se le atribuye el desarrollo del sistema de numeración atómica junto con Henry Moseley . Sus otros logros incluyen el avance en los campos de las comunicaciones por radio y la tecnología de ultrasonido .
Rutherford se convirtió en director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en 1919. Bajo su dirección, el neutrón fue descubierto por James Chadwick en 1932. Ese mismo año, John Cockcroft y Ernest Walton realizaron el primer experimento controlado para dividir el núcleo. , trabajando bajo su dirección. En honor a sus avances científicos, Rutherford fue reconocido como barón en la nobleza de Nueva Zelanda y Gran Bretaña. Después de 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] Era 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 se escribió erróneamente como "Earnest". Su familia lo conocía como Ern. [15] [17]
Cuando Rutherford tenía cinco años, se mudó a Foxhill y asistió a la escuela Foxhill. A los 11 años, en 1883, la familia Rutherford se mudó a Havelock , un pueblo en Marlborough Sounds . La medida se hizo para estar más cerca de la fábrica de lino que operaba el padre cerca del arroyo Ruapaka. [17] Ernest estudió en la escuela Havelock . [18]
En 1887, en su segundo intento, ganó una beca para estudiar en 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, obtuvo 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 presentó una serie de libros de cinco volúmenes titulados Los pueblos del mundo . [22] Estudió en Nelson College entre 1887 y 1889, y fue director 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, tras su segundo intento, obtuvo una beca para estudiar en el Canterbury College , Universidad de Nueva Zelanda , entre 1890 y 1894. Participó en su sociedad de debate y en la Science Society. [17] En Canterbury, obtuvo una licenciatura compleja 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]
A partir de entonces, 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, obtuvo una licenciatura en investigación y la beca Coutts-Trotter del Trinity College de Cambridge . [24]
Cuando Rutherford comenzó sus estudios en Cambridge, estuvo entre los primeros "extraterrestres" (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 apoyo de Thomson, Rutherford detectó ondas de radio a 800 m (0,5 millas) y mantuvo brevemente el récord mundial de la 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 lo largo de casi 16 kilómetros (10 millas). [29]
Nuevamente bajo el liderazgo de Thomson, Rutherford trabajó en los efectos conductores de los rayos X en los gases, lo que condujo al descubrimiento del electrón , resultados presentados por primera vez por Thomson en 1897. [30] [31] Escuchar la experiencia de Henri Becquerel con uranio , Rutherford comenzó a explorar su radiactividad , descubriendo dos tipos que se diferenciaban de los rayos X por su poder de penetración. Continuando con sus investigaciones 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 para la cátedra de Profesor Macdonald de física en la Universidad McGill en Montreal, Canadá, por recomendación de Thomson. [33] De 1900 a 1903, estuvo en McGill con el joven químico Frederick Soddy ( Premio Nobel de Química , 1921), a quien le planteó el problema de identificar el gas noble emitido por el elemento radiactivo torio , sustancia que a su vez era radioactivo y recubriría otras sustancias. Una vez eliminadas todas las reacciones químicas normales, Soddy sugirió que debía tratarse de uno de los gases inertes, al que denominaron torón . Posteriormente se descubrió que esta sustancia era 220 Rn , un isótopo del radón. [34] [24] También encontraron otra sustancia a la que llamaron Torio X, más tarde identificada como 224 Rn , y continuaron encontrando rastros de helio. También trabajaron con muestras de "uranio X" ( protactinio ), de William Crookes , y de 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 el mismo tiempo en desintegrarse la mitad de la muestra (en este caso, 11,5 minutos ) , fenómeno por el que 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 átomos en otra materia aún no identificada. [24]
En 1903, Rutherford consideró un tipo de radiación, descubierta (pero sin nombrar) 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 ello, Rutherford dio a este tercer tipo de radiación el nombre de rayo gamma . [32] Los tres términos de Rutherford son de uso estándar hoy en día; 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, [a] 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 Estadounidense , [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 zinc y cámaras de ionización para contar partículas alfa. Al dividir la carga total que produjeron por el número contado, Rutherford decidió que la carga de la partícula alfa era dos. [38] A finales de 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds permitieron que los alfas penetraran una ventana muy delgada en un tubo de vacío. Cuando provocaron la descarga del tubo , el espectro obtenido de él cambió, a medida que los alfas se acumularon en el tubo. Finalmente, apareció el espectro claro del gas helio, lo que demuestra que los alfa eran al menos átomos de helio ionizados y probablemente núcleos de helio. [39] 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". [40] [24]
Rutherford continuó haciendo descubrimientos innovadores mucho después de recibir el premio Nobel en 1908. Junto con Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909, llevó a cabo el experimento Geiger-Marsden , que demostró la naturaleza nuclear de los átomos midiendo la deflexión de las partículas alfa. pasando por una fina lámina de oro. [41] Rutherford se inspiró para pedir a Geiger y Marsden en este experimento que buscaran partículas alfa con ángulos de deflexión muy altos, lo que no se esperaba según ninguna teoría de la materia en ese momento. [42] [43] Estos ángulos de desviación, aunque raros, se encontraron. Fue la interpretación que hizo Rutherford de estos datos lo que lo llevó a formular el modelo del átomo de Rutherford en 1911: un núcleo cargado muy pequeño , que contenía gran parte de la masa del átomo, estaba orbitado por electrones de baja masa . [44]
En 1912, a Rutherford se unió Niels Bohr (quien postuló que los electrones se movían en órbitas específicas). Bohr adaptó la estructura nuclear de Rutherford para que fuera coherente con la teoría cuántica de Max Planck , y el modelo resultante de Rutherford-Bohr se considera válido hasta el día de hoy. [24]
Durante la Primera Guerra Mundial, Rutherford trabajó en un proyecto ultrasecreto para resolver los problemas prácticos de la detección de submarinos. Tanto Rutherford como Paul Langevin sugirieron el uso de piezoelectricidad , y Rutherford desarrolló con éxito un dispositivo que medía su producción. El uso de la piezoelectricidad se volvió entonces esencial para el desarrollo del ultrasonido tal como se lo conoce 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 . [45] [46]
Junto con HG 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 una 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 llevar una carga positiva) era una especie de "electrón positivo", un componente de cada elemento atómico. [47] [48]
No fue hasta 1919 que Rutherford amplió su teoría del "electrón positivo" con una serie de experimentos que comenzaron poco antes del final de su estancia en Manchester. Descubrió que el nitrógeno y otros elementos ligeros expulsaban un protón, al que llamó "átomo de hidrógeno", cuando eran golpeados por partículas α (alfa). [24] En particular, demostró que las partículas expulsadas por partículas alfa que chocan con hidrógeno tienen carga unitaria y 1/4 del impulso de las partículas alfa. [49]
Rutherford regresó al Laboratorio Cavendish en 1919, sucediendo a JJ Thomson como profesor Cavendish y director del laboratorio, cargos que ocupó hasta su muerte en 1937. [50] Durante su mandato, se otorgaron premios Nobel a James Chadwick por descubrir el neutrón ( en 1932), John Cockcroft y Ernest Walton por un experimento que se conocería como división del átomo mediante un acelerador de partículas , y 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 demostró a Rutherford que los núcleos de hidrógeno eran parte de los núcleos de nitrógeno (y, por inferencia, probablemente también de otros núcleos). Se había sospechado de tal construcción durante muchos años, sobre la base de pesos atómicos que eran múltiplos enteros del del hidrógeno; ver la hipótesis de Prout . Se sabía que el hidrógeno era el elemento más ligero, y que sus núcleos presumiblemente eran los más ligeros. Ahora bien, debido a todas estas consideraciones, Rutherford decidió que un núcleo de hidrógeno era posiblemente un componente fundamental de todos los núcleos, y también posiblemente una nueva partícula fundamental, ya que no se sabía que nada fuera más ligero que ese núcleo. Así, confirmando y ampliando el trabajo de Wilhelm Wien , que en 1898 descubrió el protón en corrientes de gas ionizado , [51] en 1920 Rutherford postuló que el núcleo de hidrógeno era una nueva partícula, a la que denominó protón . [52]
En 1921, mientras trabajaba con Niels Bohr, Rutherford teorizó sobre la existencia de neutrones (que había bautizado en su Conferencia Bakeriana de 1920 ), que de alguna manera podrían compensar el efecto repelente de las cargas positivas de los protones al causar una fuerza nuclear atractiva y así evitar que los núcleos se separen, 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 protones en el núcleo, ya que para entonces se sabía que los núcleos tenían aproximadamente el doble de masa de la que podría contabilizarse 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. Se cita ampliamente a Rutherford diciendo, respecto a los resultados de estos experimentos: "Fue el acontecimiento más increíble que me ha sucedido en mi vida. Fue casi tan increíble como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas contra un trozo de papel de seda y volvió y te golpeó". [53]
En 1932, la teoría de los neutrones de Rutherford fue probada por su asociado James Chadwick , quien reconoció inmediatamente los neutrones 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. [54]
Desde 1948 hasta al menos 2017, existió un antiguo mito de que Rutherford fue el primer científico en observar e informar sobre una transmutación artificial de un elemento estable en otro elemento: nitrógeno en oxígeno. [55] [56] Mucha gente pensaba que era uno de los mayores logros de Rutherford. [57] [58] El gobierno de Nueva Zelanda incluso emitió un sello conmemorativo en la creencia de que el descubrimiento de la conversión de nitrógeno en oxígeno pertenecía a Rutherford. [59] A partir de 2017, muchas instituciones científicas corrigieron sus versiones de esta historia para indicar que el crédito por el descubrimiento pertenece a Patrick Blackett , [60] quien llevó a cabo esta investigación por sugerencia de Rutherford y con su ayuda y consejo. Rutherford detectó el protón expulsado en 1919 y lo interpretó como evidencia de la desintegración del núcleo de nitrógeno (a núcleos más ligeros). En 1925, Blackett demostró que el producto real es oxígeno e identificó la verdadera reacción como 14 N + α → 17 O + p. Por lo tanto, Rutherford reconoció "que la masa del núcleo puede aumentar en lugar de disminuir como resultado de colisiones en las que se expulsa el protón". [61]
Rutherford recibió un importante reconocimiento en su país de origen, Nueva Zelanda. En 1901, obtuvo un doctorado en Ciencias de la Universidad de Nueva Zelanda. [28] En 1916, se le concedió la Medalla en Memoria de Héctor . [62] 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. [63] En 1933, Rutherford fue uno de los dos ganadores inaugurales de la Medalla TK Sidey , que fue establecida por la Real Sociedad de Nueva Zelanda como un premio a la investigación científica sobresaliente. [64] [65]
Además, Rutherford recibió varios premios de la Corona británica. Fue nombrado caballero en 1914. [66] Fue nombrado miembro de la Orden del Mérito en los Honores de Año Nuevo de 1925 . [67] 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 la nobleza como Barón Rutherford de Nelson , [68] decorando su escudo de armas con un kiwi y un guerrero maorí . [69] 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 creía que lo fabricaban durante las vacaciones escolares. Se conserva en la colección de la Royal Society desde 1888. [70] [71]
En 1900, Rutherford se casó con Mary Georgina Newton (1876-1954), [72] con quien se había comprometido antes de salir de Nueva Zelanda, en la Iglesia Anglicana de San Pablo, Papanui en Christchurch . [73] [74] 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 arregló, y se estranguló, enfermándolo gravemente. A pesar de una operación de emergencia en Londres, murió cuatro días después, en Cambridge, el 19 de octubre de 1937, a la edad de 66 años, de lo que los médicos denominaron "parálisis intestinal". [75] Después de la cremación en el Crematorio Golders Green , [75] 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] [76]
Rutherford está considerado uno de los más grandes científicos de la historia. En la sesión inaugural del Congreso Indio de Ciencias 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 más grandes científicos de todos los tiempos", diciendo:
En su talento para encontrar la línea correcta de enfoque de un problema, así como en la simple franqueza de sus métodos de ataque, [Rutherford] a menudo nos recuerda a Faraday, pero tenía dos grandes ventajas que Faraday no poseía: primero, exuberante salud corporal y energía, y segundo, la oportunidad y capacidad de dirigir un grupo de compañeros de trabajo entusiastas. Por muy grande que fuera la producción del trabajo de Faraday, me parece que para igualar el trabajo de Rutherford tanto en cantidad como en calidad, debemos remontarnos a Newton. En algunos aspectos fue más afortunado que Newton. Rutherford fue siempre un guerrero feliz: feliz en su trabajo, feliz en sus resultados y feliz en sus contactos humanos. [77]
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 proceso nuclear. [8] [78] [30] Patrick Blackett , un investigador que trabaja con Rutherford, utilizando partículas alfa naturales, demostró la transmutación nuclear inducida . Más tarde, el equipo de Rutherford, utilizando protones de un acelerador, demostró reacciones nucleares y transmutaciones inducidas artificialmente . [79]
Rutherford murió demasiado pronto para ver nacer la idea de Leó Szilárd de reacciones nucleares en cadena controladas. Sin embargo, Szilárd informó que un discurso de Rutherford sobre su transmutación inducida artificialmente en litio, impreso en la edición del 12 de septiembre de 1933 de The Times , fue su inspiración para pensar en la posibilidad de una reacción nuclear en cadena controlada que produzca energía . [80]
El discurso de Rutherford abordó el trabajo de 1932 de sus alumnos John Cockcroft y Ernest Walton al "dividir" el litio en partículas alfa mediante bombardeo con protones de 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 (acelerador). La fisión inducida por elementos ligeros sigue siendo demasiado ineficiente para ser utilizada de esta manera, incluso hoy). El discurso de Rutherford en parte dice:
En estos procesos podríamos obtener mucha más energía que el protón suministrado, 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 de tonterías. Pero el tema era científicamente interesante porque daba una idea de los átomos. [81] [82]
El elemento rutherfordio , Rf, Z=104, fue nombrado en honor a Rutherford en 1997. [83]
La expedición incluyó al profesor James Martin Benade (Profesor de Física en Forman Christian College Lahore) y al Dr. Nazir Ahmad (estudiante de doctorado de Ernest Rutherford en Cambridge, quien 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 se licenció en la Universidad de Cambridge en 1938.
