Ernest Rutherford

Ernest Rutherford, Barón Rutherford de Nelson e de Cambridge, nado en Brightwater (Nova Zelandia) o 30 de agosto de 1871 e finado en Cambridge o 19 de outubro de 1937 foi un físico británico.
Está considerado o pai da física nuclear. Dedicouse ao estudo das partículas radioactivas, clasificándoas en alfa (α), beta (β) e gamma (γ) e achou que a radioactividade ía acompañada por unha desintegración dos elementos. Estes descubrimentos, realizados na Universidade McGill, de Montreal, valéronlle o Premio Nobel de Química en 1908.
Porén, Rutherford fixo os seus descubrimentos máis célebres despois de trasladarse á Universidade Vitoria de Manchester, no Reino Unido en 1907. En 1911 teorizou a existencia do núcleo atómico, no que se reúne toda a carga positiva e case toda a masa do átomo e deseñou un modelo atómico, ao que chegou para explicar o fenómeno da dispersión de Rutherford. descuberta por Hans Geiger e Ernest Marsden en 1909 baixo a dirección de Rutherford durante o coñecido experimento da lámina de ouro. Ademais, coa colaboración do seu discípulo Frederick Soddy, conseguiu a primeira transmutación artificial.
Se durante a primeira parte da súa vida consagrouse por completo ás súas investigacións, pasou a segunda metade dedicado á docencia e dirixindo os Laboratorios Cavendish de Cambridge, no que se descubriu o neutrón, e no que se formaron Niels Bohr e Oppenheimer. A súa influencia neste terreo da física que descubriu foi pois especialmente relevante. Biografía
Os primeiros anos
Ernest Rutherford era o cuarto dos doce fillos de James e Martha Rutherford. O seu pai era granxeiro e mecánico, mentres a súa nai, antes de casar, fora mestra. Ambos desexaban dar aos seus fillos unha boa educación e tratar de que puidesen proseguir os seus estudos.
Rutherford destacou moi pronto pola súa curiosidade e a súa capacidade para a aritmética. Os seus pais e o seu mestre animárono moito, e resultou ser un alumno brillante, o que lle permitiu entrar no Nelson College, no que estivo tres anos. Tamén tiña grandes calidades para o rugby, o que lle valía ser moi popular na súa escola. O último ano, terminou en primeiro lugar en todas as materias, grazas ao cal entrou na Universidade, no Canterbury College, no que seguiu practicando o rugby e no que participou nos clubs científicos e de reflexión.
Por esa época empezou a manifestarse o xenio de Rutherford para a experimentación: as súas primeiras investigacións demostraron que o ferro podía magnetizarse por medio de altas frecuencias, o que de seu era un descubrimento. Os seus excelentes resultados académicos permitíronlle proseguir os seus estudos e as súas investigacións durante cinco anos en total nesa Universidade. De feito, conseguira a única bolsa de Nova Zelandia para estudar matemáticas, e sobreviviu o último ano como mestre. Obtivo dese modo o título de "Master of Arts" cunha dobre primeira clase en matemáticas e física. En 1894 obtivo o título de "Bachelor of Science", que lle permitiu proseguir os seus estudos en Gran Bretaña, nos Laboratorios Cavendish de Cambridge, baixo a dirección do descubridor do electrón, J. J. Thomson, a partir de 1895. Foi o primeiro estudante de ultramar que alcanzou esta posibilidade. Antes de saír de Nova Zelandia, prometeuse con Mary Newton, unha moza de Christchurch.
Cambridge, 1895-1898
En primeiro lugar proseguiu as súas investigacións sobre das ondas hertzianas, e sobre a súa recepción a gran distancia. Fixo unha extraordinaria presentación dos seus traballos ante a Cambridge Physical Society, que se publicaron nas Philosophical Transactions da Royal Society de Londres, feito pouco habitual para un investigador tan novo, o que lle serviu para alcanzar notoriedade.
En decembro de 1895, comezou a traballar con Thomson no estudo do efecto dos raios X sobre un gas. Descubriron que os raios X tiñan a propiedade de ionizar o aire. Puideron demostrar que producía grandes cantidades de partículas cargadas, tanto positivas como negativas, e que esas partículas podían recombinarse para dar lugar a átomos neutros. Pola súa banda, Rutherford inventou unha técnica para medir a velocidade dos ions, e a súa taxa de recombinación. Estes traballos foron os que o conduciron á fama.
No 1898, despois de pasar tres anos en Cambridge, cando contaba con 27 anos, propuxéronlle unha cátedra de física na Universidade Mc Gill de Montreal, que aceptou de contado, pois representaba para el a posibilidade de xuntarse coa súa prometida, que seguía vivindo en Nova Zelandia.
Montreal, 1898-1907: radioactividade
Becquerel descubriu por esa época (1896) que o uranio emitía unha radiación descoñecida, a "radiación uránica". Rutherford publicou en 1899 un documento esencial, no que estudaba o modo que podían ter esas radiacións de ionizar o aire, situando ao uranio entre dúas placas cargadas e medindo a corrente que pasaba. Estudou así o poder de penetración das radiacións, cubrindo as súas mostras de uranio con follas metálicas de distintos grosores. Deuse conta de que a ionización diminuía rapidamente conforme aumentaba o espesor das follas, pero que por encima dun determinado marco diminuía máis debilmente. Por iso deduciu que o uranio emitía dúas radiacións diferenciadas, posto que tiñan poder de penetración distinto. Chamou á radiación menos penetrante radiación alfa, e á máis penetrante (e que producía necesariamente unha menor ionización posto que atravesaba o aire) radiación beta.
En 1900 Rutherford casa con Mary Newton. Deste matrimonio naceu en 1901 a súa única filla, Eileen.
Por esa época, Rutherford estuda o torio, e dáse conta ao utilizar o mesmo dispositivo que para o uranio, de que o feito de abrir unha porta no laboratorio perturba notoriamente o experimento, coma se os movementos do aire no experimento puidesen alteralo. Pronto chegará á conclusión de que o torio desprende unha emanación, tamén radioactiva, posto que ao aspirar o aire que rodea o torio, decátase de que ese aire transmite a corrente facilmente, ata á gran distancia do torio.
Tamén nota que as emanacións de torio só permanecen radioactivas uns dez minutos e que son partículas neutras. A súa radioactividade non se ve alterada por ningunha reacción química, nin por cambios nas condicións (temperatura, campo eléctrico). Decátase así mesmo de que a radioactividade desas partículas decrece exponencialmente, posto que a corrente que pasa entre os eléctrodos tamén o fai, e descobre así o período dos elementos radioactivos en 1900. Coa axuda dun químico de Montreal, Frederick Soddy chega en 1902 á conclusión de que as emanacións de torio son efectivamente átomos radioactivos, pero sen ser torio, e que a radioactividade vén acompañada dunha desintegración dos elementos.
Este descubrimento provocou unha grande axitación entre os químicos, moi convencidos do principio de indestrutibilidade da materia. Unha gran parte da ciencia da época baseábase neste concepto. Por iso, este descubrimento representa unha auténtica revolución. Con todo, a calidade dos traballos de Rutherford non deixaban marxe á dúbida. O mesmo Pierre Curie tardou dous anos en admitir esta idea, malia que xa constatara con Marie Curie que a radioactividade ocasionaba unha perda de masa nas mostras: Pierre Curie opinaba que perdían peso sen cambiar de natureza.
As investigacións de Rutherford tiveron o recoñecemento en 1903 da Royal Society, que lle outorgou a Medalla Rumford en 1904. Resumiu o resultado das súas investigacións nun libro titulado "Radioactividade" en 1904, no que explicaba que a radioactividade non está influenciada polas condicións externas de presión e temperatura, nin polas reaccións químicas, pero que comporta un desprendemento de calor superior ao dunha reacción química. Explicaba tamén que se producían novos elementos con características químicas distintas, mentres desaparecían os elementos radioactivos.
Xunto a Frederick Soddy, calculou que o desprendemento de enerxía debido á desintegración nuclear individual era entre 20. 000 e 100. 000 veces superior ao producido por unha única reacción química. Lanzou tamén a hipótese de que tal enerxía podería explicar a enerxía desprendida polo Sol. El e Rutt opinan que se a Terra conserva unha temperatura constante (no seu núcleo), isto débese sen dúbida ás reaccións de desintegración que se producen no seu seo. Esta idea dunha grande enerxía potencial almacenada nos átomos atopará un ano despois un principio de confirmación cando Albert Einstein descubra a equivalencia entre masa e enerxía. Tras estes traballos, Otto Hahn, o descubridor da fisión nuclear, acudirá a estudar con Rutherford na Mc Gill durante uns meses.
A partir de 1903 empeza a facerse preguntas sobre a natureza exacta das radiacións alfa e deduce a súa velocidade, o signo (positivo) da súa carga, e a relación que hai entre a súa carga e a súa masa. Conségueo facendo que as radiacións atravesen campos eléctricos e magnéticos. Este é o camiño que lle levará cara aos seus máis soados traballos. Durante a súa estancia en Mc Gill, publicará uns 80 artigos, e inventará numerosos dispositivos que non teñen nada que ver coa física nuclear.
Manchester, 1907-1919: o núcleo atómico
En 1907, obtén unha praza de profesor na Universidade de Manchester, onde traballará xunto a Hans Geiger. Xunto a este, inventará un contador que permite detectar as partículas alfa emitidas por substancias radioactivas (prototipo do futuro contador Geiger), xa que ionizando o gas que se atopa no aparello, producen unha descarga que se pode detectar. Este dispositivo permítelles estimar o número de Avogadro de modo moi directo: pescudando o período do radio, e medindo co seu aparello o número de desintegracións por unidade de tempo. Dese modo deduciron o número de átomos de radio presente na súa mostra.
En 1908, xunto a un dos seus estudantes, Thomas Royds, demostra de modo definitivo o que se supoñía, é dicir, que as partículas alfa son núcleos de helio. En realidade, o que proban é que unha vez desembarazadas da súa carga, as partículas alfa son átomos de helio. Para demostralo, illou a substancia radioactiva nun material delgado abondo como para que as partículas alfa atravesáseno efectivamente, pero para iso bloquea calquera tipo de "emanación" de elementos radioactivos, é dicir, calquera produto da desintegración. Recolle a continuación o gas que se acha ao redor da caixa que contén as mostras, e analiza o seu espectro. Atopa entón gran cantidade de helio: os núcleos que constitúen as partículas alfa recuperaron electróns dispoñibles.
Ese mesmo ano gaña o Premio Nobel de Química polos seus traballos de 1902. Sufrirá con todo un pequeno desgusto, pois el considérase fundamentalmente un físico. Unha das súas citas máis famosas é que "a ciencia, ou é Física, ou é filatelia", co que sen dúbida situaba a física por encima de todas as demais ciencias. En 1911 fará a súa maior contribución á ciencia, ao descubrir o núcleo atómico. Observara en Montreal, ao bombardear unha fina lamela de mica con partículas alfa, que se obtiña unha deflexión das devanditas partículas. Ao retomar Geiger e Marsden de modo máis concienciudo estes experimentos e utilizando unha lamela de ouro, déronse conta de que algunhas partículas alfa desviábanse máis de 90 graos. Rutherford lanzou entón a hipótese, que Geiger e Marsden enfrontaron ás conclusións do seu experimento, de que no centro do átomo debía haber un "núcleo" que contivese case toda a masa e toda a carga positiva do átomo, e que de feito eran os electróns os que debían determinar o tamaño do átomo ó estaren situados na periferia. Este modelo planetario fora suxerido en 1904 por un xaponés, Hantaro Nagoaka, aínda que pasara desapercibido.
Ó modelo proposto obxectóuselle que os electróns terían que irradiar virando ao redor do núcleo central e, en consecuencia, caer. Os resultados de Rutherford demostraron que ese era sen dubidar o modelo bo, posto que permitía prever con exactitude a taxa de difusión das partículas alfa en función do ángulo de difusión e do tamaño do átomo. As últimas obxeccións teóricas (sobre a irradiación do electrón) esvaecéronse cos principios da teoría cuántica, e a adaptación que fixo Niels Bohr do modelo de Rutherford á teoría de Max Planck, o que serviu para demostrar a estabilidade do átomo a partir das ideas de Rutherford.
En 1914 comeza a primeira guerra mundial, e Rutherford concéntrase nos métodos acústicos de detección de submarinos. Trala guerra, xa en 1919, leva a cabo a súa primeira transmutación artificial. Logo de observar os protóns producidos polo bombardeo do hidróxeno con partículas alfa (ao observar o pestanexo que producen en pantallas cubertas de sulfuro de zinc), dáse conta de que obtén moitos deses pestanexos se realiza o mesmo experimento con aire e aínda máis con nitróxeno puro. Deduce diso que as partículas alfa, ao golpear os átomos de nitróxeno, produciron un protón, é dicir que que o núcleo de nitróxeno cambiou de natureza e transformouse en osíxeno, ao absorber a partícula alfa. Con esta experiencia, Rutherford acababa de producir a primeira transmutación artificial da historia, o que deu pé a que algúns o consideren o primeiro alquimista que conseguiu o seu obxectivo.
Cambridge, 1919-1937: a idade de ouro en Cavendish
Ese mesmo ano sucede a J. J. Thomson no laboratorio Cavendish, pasando a ser o director. É o principio dunha idade de ouro para o laboratorio e tamén para Rutherford. A partir desa época, a súa influencia na investigación no campo da física nuclear é enorme. Por exemplo, nunha conferencia que pronuncia ante a Royal Society, xa alude á existencia do neutrón e dos isótopos do hidróxeno e do helio. E estes descubriranse no laboratorio Cavendish, baixo a súa dirección. James Chadwick, descubridor do neutrón, Niels Bohr, que demostrou que o modelo planetario de Rutherford non era inestable, e Robert Oppenheimer, ao que se considera o pai da bomba atómica, están entre os que estudaron no laboratorio nos tempos de Rutherford. Moseley, que foi alumno de Rutherford, demostrou, utilizando a desviación dos raios X, que os átomos contaban con tantos electróns como cargas positivas había no núcleo, e que diso resultaba que os seus resultados "confirmaban con forza as intuicións de Bohr e Rutherford".
O gran número de clases que deu no laboratorio Cavendish, a gran cantidade de contactos que tivo cos seus estudantes deron unha imaxe de Rutherford como unha persoa moi pegada aos feitos, máis aínda que á teoría, que para el só era parte dunha "opinión". Este apego aos feitos experimentais, era o indicio dun gran rigor e dunha gran honestidade. Cando Enrico Fermi conseguiu desintegrar diversos elementos coa axuda de neutróns, escribiulle para felicitalo por conseguir "escapar da física teórica".
Con todo, por fortuna, Rutherford non se detiña nos feitos, e a súa grande imaxinación deixáballe entrever máis aló, as consecuencias teóricas máis afastadas, pero non podía aceptar que se complicasen as cousas inutilmente. A miúdo facía observacións neste sentido ós visitantes do laboratorio que viñan expoñer os seus traballos ós estudantes e ós investigadores, calquera que fose a fama do visitante. O seu apego á sinxeleza era case proverbial. Como el mesmo dicía: "Eu mesmo son un home sinxelo".
Rutherford tiña un carácter ledo: a súa autoridade no laboratorio Cavendish non se baseaba no temor que puidese inspirar. Sabíase que estaba avanzando nos seus traballos cando o oían cantaruxar no laboratorio. Os seus alumnos respectábano moito, non tanto polos seus pasados traballos ou polo mito que lle rodeaba como pola súa atractiva personalidade, a súa xenerosidade e a súa autoridade intelectual. Alcumóuselle "o crocodilo", porque a semellanza dun crocodilo, que nunca ve a súa propia cola, sempre miraba diante del.
Tamén esta é para Rutherford a época dos honores: foi presidente da Royal Society entre 1925 e 1930, e chairman da Academic Assistance Council, que neses tempos de política difícil axudaba ós universitarios alemáns que fuxían do seu país. Tamén se lle concedeu a Medalla Franklin en 1924 e a Medalla Faraday en 1936. Realizou a súa última viaxe a Nova Zelandia, o seu país de nacemento, que nunca esqueceu, en 1925 e foi recibido como un heroe. Alcanzou a nobreza en 1931 e obtivo o título de Barón Rutherford de Nelson, de Cambridge. Ese mesmo ano morreu a súa única filla, Eileen, nove días logo de dar a luz ó seu cuarto fillo.
Rutherford era un home moi robusto. Entrou no hospital en 1937 para unha operación menor, tras ferirse podando unhas árbores da súa propiedade. Ó seu regreso á casa, parecía recuperarse sen problemas, pero o seu estado agravouse de repente. Morreu o 19 de outubro e trala súa morte foi enterrado na nave da Abadía de Westminster, con outros grandes científicos británicos como Isaac Newton, Charles Darwin ou William Thomson. Obra
Radio-activity (1904), 2nd ed. (1905), ISBN 978-1-60355-058-1
Radioactive Transformations (1906), ISBN 978-1-60355-054-3
Radioactive Substances and their Radiations (1913)
The Electrical Structure of Matter (1926)
The Artificial Transmutation of the Elements (1933)
The Newer Alchemy (1937)
Artigos
"Disintegration of the Radioactive Elements" Harper's Monthly Magazine, xaneiro de 1904, páxinas 279 a 284. Recoñecementos
En 1997 nomeouse rutherfordio o elemento químico 104.
Dous cráteres, na Lúa e en Marte recibiron o seu nome.
En 2006 bautizouse "rutherfordina" un mineral de carbonato de uranio ((UO2)CO3)
A imaxe de Rutherford aparece nos billetes de 100 dólares neozelandeses. Escudo de armas
O escudo de armas de Ernest Rutherford é un sautor arqueado de goles e ouro con dous escudetes en faixa baleiros do primeiro, cargados cada un cunha merleta de sable.
O escudo leva coroa de barón e un helmo cun kiwi ao natural. Está sostido á dereita por Hermes Trismegistus (patrón mitolóxico do coñecemento e a alquimia) e á sinistra por un guerreiro maorí. Como lema: Primordia Quaerere Rerum ("Buscar os principios das cousas", de Lucrecio).