Ernest Rutherford

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford, conegut també com Lord Rutherford (pronunciació en anglés: /'ɜːnɪst 'rʌðəfəd/; Brightwater, 30 d'agost de 1871-Cambridge, 19 d'octubre de 1937), va ser un físic neozelandés. Es va dedicar a l'estudi de les partícules radiactives i va conseguir classificar-les en alfa (α), beta (β) i gamma (γ). Va trobar que la radiactivitat anava acompanyada per una desintegració dels elements, lo que li va valdre per a guanyar el Premi Nobel de Química en 1908. Se li deu un model atòmic, en el que va provar l'existència del núcleu atòmic, en el que es reunix tota la càrrega positiva i casi tota la massa del àtom. Va conseguir la primera transmutació artificial en la colaboració del seu discípul Frederick Soddy (Soddy va rebre més vesprada en la seua carrera també el Premi Nobel de Química en 1921 pels seus treballs sobre isòtops). Durant la primera part de la seua vida es va consagrar per complet a l'investigació, i va passar la segona mitat dedicat a la docència i dirigint els Laboratoris Cavendish de Cambridge, en a on es va descobrir el neutró. Va ser mestre, entre atres persolnalidades, de Niels Bohr, Otto Hahn i Harriet Brooks.

Primers anys

El seu pare, James, d'orige escocés, era granger i mecànic, i la seua mare, Martha Thompson, naixcuda en Anglaterra, era mestra, que havia emigrat abans de casar-se. Abdós desijaven donar als seus fills una bona educació i tractar de que pogueren proseguir els seus estudis. Rutherford va destacar molt pronte per la seua curiositat i la seua capacitat per a la aritmètica. Els seus pares i el seu mestre ho varen animar molt, i va resultar ser un alumne lluent, lo que li va permetre entrar en el Nelson College, en el que va estar quatre anys. També tenia grans qualitats per al rugby, lo que li valia ser molt popular en la seua escola. L'últim any, va terminar en primer lloc en totes les assignatures, gràcies a lo que va ingressar en l'Universitat en Nova Zelanda, en el Canterbury College, en el que va seguir practicant el rugby i en el que va participar en els clubs científics i de reflexió.

Per eixa época va escomençar a manifestar-se el geni de Rutherford per a l'experimentació: les seues primeres investigacions varen demostrar que el ferro podia magnetizarse per mig d'altes freqüències, lo que de per sí era un descobriment. Els seus excelents resultats acadèmics li varen permetre proseguir els seus estudis i les seues investigacions durant cinc anys en total en eixa Universitat. Es va llicenciar en Christchurch i poc despuix va conseguir l'única beca de Nova Zelanda per a estudiar matemàtiques, i va cobrir les seues despeses l'últim any treballant com a mestre. Va obtindre d'eixe modo el títul de Master of Arts en les millors calificacions en matemàtiques i física. En 1894 va obtindre el títul de Bachelor of Science, que li va permetre proseguir els seus estudis en Gran Bretanya, en els Laboratoris Cavendish de Cambridge, baix la direcció del descobridor del electró, Joseph John Thomson a partir de 1895. Va ser el primer estudiant d'ultramar que va alcançar esta possibilitat. Abans d'eixir de Nova Zelanda, es va comprometre en Mary Newton, una jove de Christchurch. En els laboratoris Cavendish, reemplaçaria anys més vesprada a Thomson.

Cambridge, 1895-1898

En primer lloc va proseguir les investigacions sobre les ones hertzianas i sobre la seua recepció a gran distància. Va fer una extraordinària presentació dels seus treballs davant la Cambridge Physical Society, que es varen publicar en les Philosophical Transactions de la Royal Society, fet poc habitual per a un investigador tan jove, lo que li va servir per a alcançar notorietat. En decembre de 1895, va escomençar a treballar en Thomson en l'estudi de l'efecte dels rajos X sobre un gas. Varen descobrir que els rajos X tenien la propietat d'ionizar el aire, ya que varen poder demostrar que produïa grans cantitats de partícules carregades, tant positives com a negatives, i que eixes partícules podien recombinarse per a donar lloc a àtoms neutres. Per la seua banda, Rutherford va inventar una tècnica per a medir la velocitat dels ions i la seua taxa de recombinació. Estos treballs varen ser els que li varen conduir pel camí a la fama. En 1898, despuix de passar tres anys en Cambridge, quan contava en 27 anys, li varen propondre una càtedra de física en la Universitat McGill de Montreal, que va acceptar immediatament, ya que ademés la càtedra representava per a ella possibilitat de casar-se en la seua promesa.

Montreal, 1898-1907: radiactivitat

Rutherford en 1905 en l'Universitat McGill en Montreal, Canadà

Henri Becquerel va descobrir per eixa época (1896) que el urani emetia una radiació desconeguda, la "radiació uránica". Rutherford va publicar en 1899 un document essencial, en el que estudiava el modo que podien tindre eixes radiacions d'ionizar l'aire, situant a l'urani entre dos plaques carregades i medint la corrent que passava. Va estudiar aixina el poder de penetració de les radiacions, cobrint les seues mostres d'urani en fulls metàlics de distintes gruixa. Es va donar conte de que l'ionisació escomençava disminuint ràpidament conforme aumentava la gruixa dels fulls, pero que per damunt d'una determinada gruixa disminuïa més débilmente. Per això va deduir que l'urani emetia dos radiacions diferents, ya que tenien poder de penetració distint. Va cridar a la radiació menys penetrant radiació alfa, i a la més penetrant (i que produïa necessàriament una menor ionisació posat que travessava l'aire) radiació beta. En 1900, Rutherford es va casar en Mary Newton. D'este matrimoni va nàixer en 1901 la seua única filla, Eileen. Per eixa época, Rutherford estudia el tori i es dona conte, en utilisar el mateix dispositiu que per a l'urani, de que obrir una porta en elaboratori pertorba notablement l'experiment, com si els moviments de l'aire pogueren alterar l'experiment. Pronte aplegarà a la conclusió de que el tori desprén una emanació, també radiactiva, ya que en aspirar l'aire que rodeja el tori, es dona conte de que eixe aire transmet la corrent fàcilment, inclús a gran distància del tori. També nota que les emanació de tori solament permaneixen radiactives uns dèu minuts i que són partícules neutres. La seua radiactivitat no es veu alterada per cap reacció química, ni per canvis en les condicions (temperatura, camp elèctric). Es dona conte aixina mateix de que la radiactivitat d'eixes partícules decreix exponencialment, ya que la corrent que passa entre els electrodos també ho fa, i descobrix aixina el periodo dels elements radiactius en 1900. En l'ajuda d'un químic de Montreal, Frederick Soddy, aplega en 1902 a la conclusió de que les emanació de tori són efectivament àtoms radiactius, pero sense ser tori, i que la radiactivitat ve acompanyada d'una desintegració dels elements. Este descobriment va provocar un gran revol entre els químics, molt convençuts del principi d'indestructibilidad de la matèria. Una gran part de la ciència de l'época es basava en este concepte. Per això, este descobriment representa una autèntica revolució. No obstant, la calitat dels treballs de Rutherford no deixaven marge al dubte. El mateix Pierre Curie va tardar dos anys en admetre esta idea, a pesar de que ya havia constatat en Marie Curie que la radiactivitat ocasionava una pèrdua de massa en les mostres. Pierre Curie opinava que perdien pes sense canviar de naturalea. Les investigacions de Rutherford varen tindre el reconeiximent en 1903 de la Royal Society, que li va otorgar la Medalla Rumford en 1904. Va resumir el resultat de les seues investigacions en un llibre titulat Radiactivitat en 1904, en el que explicava que la radiactivitat no estava influïda per les condicions externes de pressió i temperatura, ni per les reaccions químiques, pero que comportava una emissió de calor superior al d'una reacció química. Explicava també que es produïen nous elements en característiques químiques distintes, mentres desapareixien els elements radiactius. Junt a Frederick Soddy, va calcular que l'emissió d'energia tèrmica deguda a la desintegració nuclear era entre 20.000 i 100.000 voltes superior a la produïda per una reacció química. Va llançar també l'hipòtesis de que tal energia podria explicar l'energia despresa pel sol. Opinaven que si la terra conserva una temperatura constant (en lo que concernix al seu núcleu), es deu sense dubte a les reaccions de desintegració que es produïxen en el seu sen. Esta idea d'una gran energia potencial almagasenada en els àtoms trobarà un any despuix un principi de confirmació quan Albert Einstein descobrixca l'equivalència entre massa i energia. Despuix d'estos treballs, Otto Hahn, el descobridor de la fissió nuclear junt en Fritz Strassmann i Lise Meitner, acodirà a estudiar en Rutherford en McGill durant uns mesos. A través de numerosos estudis en elements radiactius observa que estos emeten dos tipos de radiació. El primer tipo de radiació, al que denomina rajos alfa, és altament energètic pero té poc alcanç i és absorbida pel mig en rapidea. El segon tipo de radiació és altament penetrant i de molt major alcanç, al que crida rajos beta. Per mig de l'us de camps elèctrics i magnètics analisa estos rajos i deduïx la seua velocitat, el signe de la seua càrrega i la relació entre càrrega i massa. També troba un tercer tipo de radiació molt energètic, al que denominarà rajos gamma.

Mánchester, 1907-1919: el núcleu atòmic

En 1907, obté una plaça de professor en l'Universitat de Mánchester, en a on treballarà junt a Hans Geiger. En est inventarà un contador que permet detectar les partícules alfa emeses per substàncies radiactives (prototip del futur contador Geiger), ya que ionizando el gas que es troba en l'aparat, produïxen una descàrrega que es pot detectar. Este dispositiu els permet estimar el número d'Avogadro de modo molt directe: averiguant el periodo de desintegració del ràdio i medint en el seu aparat el número de desintegracions per unitat de temps. D'eixe modo varen deduir el número d'àtoms de ràdio present en la mostra.

Vore també: Experiment de Rutherford

En 1908, junt en un dels seus estudiants, Thomas Royds, demostra de modo definitiu lo que se suponia: que les partícules alfa són núcleus d'heli. En realitat, lo que proven és que una volta lliberades de la seua càrrega, les partícules alfa són àtoms d'heli. Per a demostrar-ho, va aïllar la substància radiactiva en un material suficientment prim per a que les partícules alfa ho travessaren efectivament, pero per a això bloqueja qualsevol tipo de "emanació" d'elements radiactius, és dir, qualsevol producte de la desintegració. Arreplega a continuació el gas que es troba al voltant de la caixa que conté les mostres i analisa el seu espectre. Troba llavors gran cantitat d'heli: els núcleus que constituïxen les partícules alfa, han recuperat electrons disponibles. Eixe mateix any guanya el Premi Nobel de Química pels seus treballs de 1908. Sofrirà, no obstant, un chicotet disgust, puix ell es considera fonamentalment un físic. Una de les seues cites més famoses és que "la ciència, o és Física, o és filatelia", en lo que sense dubte situava la física per damunt de totes les demés ciències. En 1911 farà la seua major contribució a la ciència, en descobrir el núcleu atòmic. Havia observat en Montreal en bombardejar una fina làmina de mica en partícules alfa, que s'obtenia una deflexión de dites partícules. En reprendre Geiger i Marsden de modo més concienzudo estos experiments i utilisant una làmina d'or, es varen donar conte de que algunes partícules alfa es desviaven més de 90 graus. Rutherford va llançar llavors l'hipòtesis, que Geiger i Marsden varen enfrontar a les conclusions del seu experiment, de que en el centre de l'àtom devia haver un "núcleu" que continguera casi tota la massa i tota la càrrega positiva de l'àtom, i que de fet els electrons devien determinar el tamany de l'àtom. Este model planetari havia segut sugerit en 1904 per un japonés, Hantarō Nagaoka, encara que havia passat desapercebut. Se li objectava que en eixe cas els electrons tindrien que irradiar girant al voltant del núcleu central i, en conseqüència, caure. Els resultats varen demostrar que eixe era sense dubtar el model bo, ya que permetia prevore en exactitut la taxa de difusió de les partícules alfa en funció de l'àngul de difusió i d'un orde de magnitut per a les dimensions del núcleu atòmic. Les últimes objeccions teòriques (sobre l'irradiació de l'electró) es varen desvanir en els principis de la teoria quàntica i l'adaptació que va fer Niels Bohr del model de Rutherford a la teoria de Max Planck, lo que va servir per a demostrar l'estabilitat de l'àtom de Rutherford.

Conclusions de l'experiment de la làmina d'or. Dalt: Resultats esperats: partícules alfa passant a través del model de pudding de pruna d'un àtom inalterado.
Avall: Resultats observats: una chicoteta proporció de les partícules varen ser deflectades, lo que indica una càrrega concentrada chicoteta, és dir el núcleu atòmic. El diagrama no està a escala; en realitat el núcleu és molt més chicotet que la capa exterior d'electrons.

Primera Conferència Solvay, de 1911, en Brusseles. Es pot observar a Rutherford, quarto per la dreta en la fila posterior, situat entre James Hopwood Jeans i Heike Kamerlingh Onnes, just darrere de Marie Curie i Henri Poincaré.

En 1914 escomença la Primera Guerra Mundial, i Rutherford es concentra en els métodos acústics de detecció de submarís. Despuix de la guerra, ya en 1919, porta a terme la seua primera transmutació artificial. Despuix d'observar els protones produïts pel bombardeig d'hidrogen de partícules alfa (en observar el parpadeo que produïxen en pantalles cobertes de sulfur de zinc), es dona conte de que obté molts d'eixos parpadeos si realisa el mateix experiment en aire i encara més en nitrogen pur. Deduïx d'això que les partícules alfa, en colpejar els àtoms de nitrogen, han produït un protón, és dir, que el núcleu de nitrogen ha canviat de naturalea i s'ha transformat en oxigen, en absorbir la partícula alfa. Rutherford acabava de produir la primera transmutació artificial de l'història. Alguns opinen que va ser el primer alquimiste que va conseguir el seu objectiu.

Primera transmutació de la matèria, de nitrogen a oxigen, efectuada per Ernest Rutherford en 1919 en bombardejar núcleus de nitrogen en partícules alfa.

Cambridge, 1919-1937: l'edat d'or en Cavendish

Eixe mateix any succeïx a J. J. Thomson en elaboratori Cavendish, passant a ser el director. És el principi d'una edat d'or per alaboratori i també per a Rutherford. A partir d'eixa época, la seua influència en l'investigació en el camp de la física nuclear és enorme. Per eixemple, en una conferència que pronuncia davant la Royal Society, ya aludix a l'existència del neutró i dels isòtops de l'hidrogen i de l'heli. I estos es descobriran en elaboratori Cavendish, baix la seua direcció. James Chadwick, descobridor del neutró (Premi Nobel en 1932 per açò), Niels Bohr, que va demostrar que el model planetari de Rutherford no era inestable, i Robert Oppenheimer, al que es considera el pare de la bomba atòmica, estan entre els que varen estudiar en elaboratori en els temps de Rutherford. Moseley, que va ser alumne de Rutherford, va demostrar, utilisant la desviació dels rajos X, que els àtoms contaven en tants electrons com a càrregues positives hi havia en el núcleu, i que d'això resultava que els seus resultats «confirmaven en força les intuïcions de Bohr i Rutherford». John Cockcroft i Ernest Walton varen rebre el Premi Nobel en 1938 per un experiment demostrant la desintegració de l'àtom utilisant un accelerador de partícules, i Edward Appleton també va rebre el Premi Nobel, en 1947, per la demostració de l'existència de la ionosfera.

El gran número de classes que va donar en elaboratori Cavendish i la gran cantitat de contactes que va tindre en els seus estudiants va donar una image de Rutherford com una persona molt apegada als fets, més encara que a la teoria, que per a ell solament era part d'una «opinió». Este apego als fets experimentals era l'indici d'un gran rigor i d'una gran honestitat. Quan Enrico Fermi va conseguir desintegrar diversos elements en l'ajuda de neutrons, li va escriure per a felicitar-li per haver conseguit «escapar de la física teòrica». Per fortuna, Rutherford no es detenia en els fets, i la seua gran imaginació li deixava entrevore, més allà, les conseqüències teòriques més lluntanes, pero no podia acceptar que es complicaren les coses inútilment. En freqüència feya observacions en este sentit als visitants delaboratori que venien a expondre els seus treballs als estudiants i als investigadors, qualsevol que anara la fama del visitant. El seu apego a la simplicitat era casi proverbial. Com ell mateixa dia: «Yo mateixa soc un home senzill». La seua autoritat en el laboratori Cavendish no es basava en el temor que poguera inspirar. Pel contrari, Rutherford tenia un caràcter jovial. Se sabia que estava alvançant en els seus treballs quan se li sentia canturrear en elaboratori. Els seus alumnes ho respectaven molt, no tant pels seus passats treballs o pel mit que li rodejava com per la seua atractiva personalitat, la seua generositat i la seua autoritat intelectual. El seu discípul rus Peter Kapitza li va malnomenar "el cocodril" i aixina era conegut entre els seus colegues. No perque era temible o perillós, sino perque per a un soviètic tan lluntà dels rius africans, el concepte de cocodril representava una tremenda força. Encara que ningú li cridara aixina de front, Rutherford ho sabia be i es enorgullecía en secret. És més, l'edifici construït per als estudis de Kapitza tenia un gran bajorrelieve d'un cocodril.

També esta és per a Rutherford l'época dels honors: va ser president de la Royal Society entre 1925 i 1930, i chairman de la Academic Assistance Council, que en eixos políticament turbulentos temps ajudava als universitaris alemans que fugien del seu país. També se li va concedir la Medalla Franklin en 1924 i de la Medalla Faraday en 1936. Va realisar el seu últim viage a Nova Zelanda, el seu país natal, que mai va oblidar, en 1925 i va ser rebut com un héroe. Va alcançar la noblea en 1931 i va obtindre el títul de Baró Rutherford de Nelson, de Cambridge. Pero eixe mateix any va morir la seua única filla, Eileen, nou dies despuix d'haver donat a llum al seu quart fill. Rutherford era un home molt robust i va entrar en l'hospital en 1937 per a sometre's a una operació menor, despuix d'haver-se ferit podant uns arbres de la seua propietat. En retornar a casa, semblava recuperar-se sense problemes, pero el seu estat es va agravar sobtadament. Va morir el 19 d'octubre i se li va enterrar en la abadia de Westminster, junt a Isaac Newton i Kelvin.

Llegat

Estàtua d'Ernest Rutherford en Brightwater, Nova Zelanda

Rutherford està considerat com un dels majors científics de l'història. Les investigacions de Rutherford, i els treballs realisats baix la seua direcció com a director delaboratori, varen establir l'estructura nuclear de l'àtom i la naturalea essencial de la desintegració radiactiva com a procés nuclear. Patrick Blackett, un investigador que treballava baix les órdens de Rutherford, va demostrar, utilisant partícules alfa naturals, la transmutació nuclear induïda. Posteriorment, l'equip de Rutherford, utilisant protones d'un accelerador, va demostrar les reaccions nuclears i la transmutació induïdes artificialment. Se li coneix com el pare de la física nuclear. Rutherford va morir massa pronte per a vore cóm es materialisava l'idea de reacció nuclear en cadena de Leó Szilárd. No obstant, un discurs de Rutherford sobre la seua transmutació induïda artificialment en el liti, publicat en el periòdic londinenc The Times del 12 de setembre de 1933, va ser senyalat per Szilárd com la seua inspiració per a pensar en la possibilitat d'una reacció nuclear en cadena controlada que produïra energia. Szilard va tindre esta idea mentres passejava per Londres, eixe mateix dia. El discurs de Rutherford es va referir als treballs realisats en 1932 pels seus estudiants John Cockcroft i Ernest Walton per a "dividir" eliti en partícules alfa per mig del bombardeig en protones d'un accelerador de partícules que havien construït. Rutherford es va donar conte de que l'energia lliberada pels àtoms de liti dividits era enorme, pero també es va donar conte de que l'energia necessària per a l'accelerador, i la seua ineficiència essencial per a dividir àtoms d'esta manera, feyen que el proyecte fora una impossibilitat com a font pràctica d'energia (la fissió induïda per l'accelerador d'elements llaugers seguix sent massa ineficiente per a ser utilisada d'esta manera, inclús hui en dia). El discurs de Rutherford, en part, dia

Podríem obtindre en estos processos molta més energia de la que proporcionava el protón, pero en general no podríem esperar obtindre energia d'esta manera. Era una forma molt pobra i ineficaç de produir energia, i qualsevol que buscara una font d'energia en la transformació dels àtoms estava en la lluna. Pero el tema era científicament interessant perque permetia conéixer els àtoms per dins.

Publicacions principals

• Radi-activity (Cambridge University Press, 1904), (Reeditat per Dover Phoenix Editions en 2005, ISBN 0-486-49585-X)
• Radioactive Transformations (1906), (Reeditat per Juniper Grove en 2007, ISBN 1-60355-054-2)
• Radiations from Radioactive Substances (1919). Disponible en: https://archive.org/details/radioactivesubst00ruthuoft
• The Electrical Structure of Matter (1926)
• The Artificial Transmutation of the Elements (1933)
• The Newer Alchemy (1937)

Eponimia

Placa en homenage a Rutherford en l'Universitat de Mánchester

.

• El cràter llunar Rutherford du este nom en la seua memòria.
• El cràter marcianà Rutherford igualment commemora el seu nom.
• El asteroide (1249) Rutherfordia va rebre este nom en el seu honor.
• El Rutherfordio du el seu nom en memòria del científic

Premi Nobel

Predecessor: Eduard Buchner

Premi Nobel de Química 1908

Successor: Wilhelm Ostwald

Rutherford va rebre el Premi Nobel de Química de 1908 en reconeiximent a «les seues investigacions en la desintegració dels elements i en la química de les substàncies radioactives».

Entre atres distincions, va ser elegit membre (1903) i president (1925-1930) de la Royal Society de Londres, i se li varen concedir els títuls de sir en 1914 i de baró Rutherford of Nelson en 1931. L'element 104 de la taula periòdica es denomina Rutherfordio en el seu honor. A la seua mort, els seus restants mortals varen ser inhumats en l'abadia de Westminster.

Bibliografia

• (1971).«Lord Ernest Rutherford of Nelson (1871-1937)».Royal Institute of Chemistry, Reviews.4(2)doi:10.1039/RR9710400129.
• Campbell, John. (1999) Rutherford: Scientist Supreme, AAS Publications, Christchurch, ISBN 0-4730-5700-X (anglés)
• (1954).«The Rutherford Memorialecture, 1954. Rutherford-His Life and Work, 1871-1937».Proceedings of the Royal Society A.226(1166)

283-305.doi:10.1098/rspa.1954.0254.

• Reeves, Richard (2008). A Force of Nature: The Frontier Genius of Ernest Rutherford. New York: W. W. Norton. ISBN 0-393-33369-8 (anglés)
• Rhodes, Richard (1986). La fabricació de la bomba atòmica. New York: Simon & Schuster. ISBN 0-671-44133-7 (anglés)
• Wilson, David (1983). Rutherford. Simple Genius, Hodder & Stoughton, ISBN 0-340-23805-4 (anglés)

Enllaços externs

Sagelle de l'URSS de 1971 en homenage a Rutherford, mostrant el seu diagrama.

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Ernest Rutherford.

Ernest Rutherford en Viquidites.

• Biografies i Vides: Ernest Rutherford
• Explicació del pensament químic de Rutherford