Ernesto rutherford

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Premio Nobel de Física y Química de Nueva Zelanda (1871-1937)

Ernest Rutherford, primer barón Rutherford de Nelson, OM, FRS, HonFRSE (30 de agosto de 1871 - 19 de octubre de 1937) fue un neozelandés físico que llegó a ser conocido como el padre de la física nuclear. Encyclopædia Britannica lo considera el mayor experimentalista desde Michael Faraday (1791–1867). Aparte de su trabajo en su tierra natal, pasó una parte sustancial de su carrera en el extranjero, tanto en Canadá como en el Reino Unido.

En sus primeros trabajos, Rutherford descubrió el concepto de vida media radiactiva, el elemento radiactivo radón, y diferenció y denominó radiación alfa y beta. Este trabajo fue realizado en la Universidad McGill en Montreal, Quebec, Canadá. Es la base del Premio Nobel de Química que recibió en 1908 "por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas", por las que fue el primer premio Nobel de Oceanía, y el primero en realizar la obra premiada en Canadá. En 1904, fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Estadounidense.

Rutherford se mudó en 1907 a la Universidad Victoria de Manchester (hoy Universidad de Manchester) en el Reino Unido, donde él y Thomas Royds demostraron que la radiación alfa es un núcleo de helio. Rutherford realizó su obra más famosa después de convertirse en premio Nobel. En 1911, aunque no pudo probar que fuera positivo o negativo, teorizó que los átomos tienen su carga concentrada en un núcleo muy pequeño y, por lo tanto, fue pionero en el modelo del átomo de Rutherford, a través de su descubrimiento e interpretación de la dispersión de Rutherford por el oro. experimento de lámina de Hans Geiger y Ernest Marsden. Realizó la primera reacción nuclear inducida artificialmente en 1917 en experimentos en los que los núcleos de nitrógeno fueron bombardeados con partículas alfa. Como resultado, descubrió la emisión de una partícula subatómica que, en 1919, denominó "átomo de hidrógeno" pero, en 1920, nombró con mayor precisión al protón.

Rutherford se convirtió en director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en 1919. Bajo su dirección, James Chadwick descubrió el neutrón en 1932 y ese mismo año realizó el primer experimento para dividir el núcleo de una manera totalmente controlada. estudiantes que trabajan bajo su dirección, John Cockcroft y Ernest Walton. Después de su muerte en 1937, fue enterrado en la Abadía de Westminster cerca de Sir Isaac Newton. El elemento químico rutherfordio (elemento 104) recibió su nombre en 1997.

Biografía

Vida temprana y educación

Ernest Rutherford era hijo de James Rutherford, un agricultor, y su esposa Martha Thompson, originarios de Hornchurch, Essex, Inglaterra. James había emigrado a Nueva Zelanda desde Perth, Escocia, "para criar un poco de lino y muchos hijos". Ernest nació en Brightwater, cerca de Nelson, Nueva Zelanda. Su primer nombre fue escrito erróneamente 'Earnest' cuando se registró su nacimiento. La madre de Rutherford, Martha Thompson, era maestra de escuela.

Rutherford en 1892, 21 años

Estudió en Havelock School y luego en Nelson College y ganó una beca para estudiar en Canterbury College, Universidad de Nueva Zelanda, donde participó en la sociedad de debate y jugó al rugby. Después de obtener su licenciatura, maestría y licenciatura, y hacer dos años de investigación durante los cuales inventó una nueva forma de receptor de radio, en 1895 Rutherford recibió una beca de investigación de 1851 de la Comisión Real para la Exposición de 1851, para viajar a Inglaterra para estudios de posgrado en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Fue uno de los primeros de los 'alienígenas' (los que no tenían un título de Cambridge) permitieron realizar investigaciones en la universidad, bajo la dirección de J. J. Thomson, lo que despertó los celos de los miembros más conservadores de la fraternidad Cavendish. Con el apoyo de Thomson, logró detectar ondas de radio a media milla y mantuvo brevemente el récord mundial de distancia en 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, que también estaba dando conferencias.

En 1898, Thomson recomendó a Rutherford para un puesto en la Universidad McGill en Montreal, Canadá. Iba a reemplazar a Hugh Longbourne Callendar, quien ocupaba la cátedra de la cátedra Macdonald de física y venía a Cambridge. Rutherford fue aceptado, lo que significó que en 1900 podría casarse con Mary Georgina Newton (1876-1954), con quien se había comprometido antes de dejar Nueva Zelanda; se casaron en la Iglesia Anglicana de St Paul, Papanui en Christchurch. Tuvieron una hija, Eileen Mary (1901-1930), que se casó con el físico Ralph Fowler. En 1901, Rutherford obtuvo un DSc de la Universidad de Nueva Zelanda. En 1907, regresó a Gran Bretaña para ocupar la cátedra de física en la Universidad Victoria de Manchester.

Años posteriores y honores

Rutherford fue nombrado caballero en 1914. Durante la Primera Guerra Mundial, trabajó en un proyecto de alto secreto para resolver los problemas prácticos de la detección de submarinos por sonar. En 1916, recibió la Medalla en Memoria de Héctor. En 1919, regresó a Cavendish reemplazando a J. J. Thomson como profesor y director de Cavendish. Bajo su dirección, los premios Nobel fueron otorgados a James Chadwick por descubrir el neutrón (en 1932), John Cockcroft y Ernest Walton por un experimento que se conocería como división del átomo utilizando un acelerador de partículas, y Edward Appleton por demostrar la existencia de la ionosfera. En 1925, Rutherford hizo llamados al gobierno de Nueva Zelanda para apoyar la educación y la investigación, lo que condujo a la formación del Departamento de Investigación Científica e Industrial (DSIR) al año siguiente. Entre 1925 y 1930, se desempeñó como presidente de la Royal Society y luego como presidente del Consejo de Asistencia Académica que ayudó a casi 1000 refugiados universitarios de Alemania. Fue designado a la Orden del Mérito en los Honores de Año Nuevo de 1925 y elevado a la nobleza como Baron Rutherford de Nelson, Nueva Zelanda y de Cambridge en el Condado de Cambridge en 1931, un título que se extinguió tras su inesperada muerte en 1937. En 1933, Rutherford fue uno de los dos ganadores inaugurales de la Medalla T. K. Sidey, establecida por la Sociedad Real de Nueva Zelanda como un premio a la investigación científica destacada.

La tumba de Lord Rutherford en Westminster Abbey

Durante algún tiempo antes de su muerte, Rutherford tuvo una pequeña hernia, que no había reparado, y se estranguló, lo que le provocó una grave enfermedad. A pesar de una operación de emergencia en Londres, murió cuatro días después de lo que los médicos denominaron "parálisis intestinal", en Cambridge. Después de la cremación en el Crematorio Golders Green, se le otorgó el alto honor de enterrarlo en la Abadía de Westminster, cerca de Isaac Newton y otros ilustres científicos británicos como Charles Darwin.

Investigación científica

Ernest Rutherford en la Universidad McGill en 1905

En Cambridge, Rutherford comenzó a trabajar con J. J. Thomson sobre los efectos conductivos de los rayos X en los gases, trabajo que condujo al descubrimiento del electrón que Thomson presentó al mundo en 1897. Escuchar la experiencia de Becquerel con el uranio, Rutherford comenzó a explorar su radiactividad, descubriendo dos tipos que diferían de los rayos X en su poder de penetración. Continuando con su investigación en Canadá, acuñó los términos rayo alfa y rayo beta en 1899 para describir los dos tipos distintos de radiación. Luego descubrió que el torio desprendía un gas que producía una emanación que en sí misma era radiactiva y que recubría otras sustancias. Descubrió que una muestra de este material radiactivo de cualquier tamaño invariablemente tardaba la misma cantidad de tiempo en descomponerse la mitad de la muestra: su "vida media" (1112 minutos en este caso).

De 1900 a 1903, se unió a él en McGill el joven químico Frederick Soddy (Premio Nobel de Química, 1921) para quien planteó el problema de identificar las emanaciones de torio. 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 era un isótopo del radón). También encontraron otro tipo de torio al que llamaron Torio X, y siguieron encontrando rastros de helio. También trabajaron con muestras de "Uranio X" de William Crookes y radio de Marie Curie.

En 1903, publicaron su "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. El Premio Nobel de Química de 1908 fue otorgado a Ernest Rutherford "por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas".

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 mucho mayor poder de penetración. Por lo tanto, Rutherford dio a este tercer tipo de radiación el nombre de rayos gamma. Los tres términos de Rutherford son de uso estándar en la actualidad; 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 argumentado anteriormente a favor de una Tierra mucho más joven (ver también William Thomson, 1er Barón Kelvin#Edad de la Tierra: geología) basado en la insuficiencia de las fuentes de energía conocidas, pero Rutherford señaló en una conferencia a la que asistió Kelvin que la radiactividad podría solucionar este problema.

En Manchester, continuó trabajando con radiación alfa. Junto con Hans Geiger, desarrolló pantallas de centelleo de sulfuro de zinc y cámaras de ionización para contar alfas. Al dividir la carga total que produjeron por el número contado, Rutherford decidió que la carga del alfa era dos. A fines de 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds permitieron que los alfas penetraran una ventana muy delgada en un tubo de vacío. A medida que encendían la descarga del tubo, el espectro obtenido de él cambiaba, ya que los alfas se acumulaban en el tubo. Eventualmente, apareció el espectro claro del gas helio, demostrando que los alfas eran al menos átomos de helio ionizados, y probablemente núcleos de helio.

Existió un mito de larga data, al menos desde 1948, que se extendió al menos hasta 2017, de que Rutherford fue el primer científico en observar e informar una transmutación artificial de un elemento estable en otro elemento: nitrógeno en oxígeno. Muchas personas pensaron que era uno de los mayores logros de Rutherford. El gobierno de Nueva Zelanda incluso emitió un sello conmemorativo en la creencia de que el descubrimiento de nitrógeno a oxígeno pertenecía a Rutherford. A partir de 2017, muchas instituciones científicas corrigieron sus versiones de esta historia para indicar que el crédito del descubrimiento de la reacción pertenece a Patrick Blackett. 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 14N + α → 17O + p. Por lo tanto, Rutherford reconoció 'que el núcleo puede aumentar en lugar de disminuir en masa como resultado de las colisiones en las que se expulsa el protón'.

Experimento de hoja de oro

Top: Resultados esperados: partículas alfa pasando por el modelo de pudín de ciruela del átomo sin perturbar.
Tema: Resultados observados: una pequeña parte de las partículas fueron desviadas, indicando una pequeña carga concentrada. El diagrama no es escalar; en realidad el núcleo es mucho más pequeño que el cáscara de electrones.

Rutherford realizó su trabajo más famoso 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 al desviar las partículas alfa que pasan a través de un fina hoja de oro. Rutherford se inspiró para pedirle a Geiger y Marsden en este experimento que buscaran partículas alfa con ángulos de desviación muy altos, de un tipo que no se esperaba de ninguna teoría de la materia en ese momento. Tales desviaciones, aunque raras, se encontraron y demostraron ser una función suave pero de alto orden del ángulo de deflexión. Fue la interpretación de Rutherford de estos datos lo que lo llevó a formular el modelo atómico de Rutherford en 1911: un núcleo cargado muy pequeño, que contiene gran parte de la masa del átomo, estaba orbitado por electrones de baja masa..

En 1919-1920, Rutherford descubrió que el nitrógeno y otros elementos ligeros expulsaban un protón, al que llamó "átomo de hidrógeno", cuando chocaban con partículas α (alfa). 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). Durante muchos años se había sospechado tal construcción sobre la base de pesos atómicos que eran números 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, 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 del núcleo que fuera más ligero. Así, confirmando y ampliando el trabajo de Wilhelm Wien que en 1898 descubrió el protón en corrientes de gas ionizado, Rutherford postuló el núcleo de hidrógeno como una nueva partícula en 1920, a la que denominó protón.

En 1921, mientras trabajaba con Niels Bohr (quien postuló que los electrones se movían en órbitas específicas), Rutherford teorizó sobre la existencia de neutrones (a los que había bautizado en su Bakerian Lecture 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 vuelen separados de la repulsión entre los protones. La única alternativa a los neutrones era la existencia de "electrones nucleares" lo que contrarrestaría algunas de las cargas de protones en el núcleo, ya que para entonces se sabía que los núcleos tenían aproximadamente el doble de la masa que podría tener 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.

Muchas veces se cita a Rutherford con respecto a los resultados de estos experimentos: "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 volviera y te golpeara.

La teoría de los neutrones de Rutherford fue probada en 1932 por su socio 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.

Legado

Una placa que conmemora la presencia de Rutherford en la Universidad de Manchester

Se considera que Rutherford estuvo entre los más grandes científicos de la historia. En la sesión de apertura del Congreso de Ciencias de la India de 1938, que se esperaba que presidiera Rutherford 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 afán por la línea correcta de acercamiento a un problema, así como en la simple dirección de sus métodos de ataque, [Rutherford] a menudo nos recuerda a Faraday, pero tenía dos grandes ventajas que Faraday no poseía, primero, exuberante salud y energía corporal, y segundo, la oportunidad y capacidad de dirigir una banda de entusiastas compañeros de trabajo. Gran aunque la salida del trabajo de Faraday fue, me parece que para que coincida con el trabajo de Rutherford tanto en cantidad como en calidad, debemos volver 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.

Física nuclear

plasma nitrógeno

La investigación de Rutherford y el trabajo realizado bajo su dirección como director de laboratorio establecieron la estructura nuclear del átomo y la naturaleza esencial de la descomposición radiactiva como proceso nuclear. Patrick Blackett, un investigador que trabaja con Rutherford, usando partículas alfa naturales, demostró la transmutación nuclear inducida. Más tarde, el equipo de Rutherford, usando protones de un acelerador, demostró reacciones nucleares y transmutaciones inducidas artificialmente. Es conocido como el padre de la física nuclear. 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 el 12 de septiembre de 1933 en el periódico londinense The Times, fue su inspiración para pensar en la posibilidad. de una reacción en cadena nuclear productora de energía controlada. Szilard tuvo esta idea mientras caminaba por Londres, el mismo día.

El discurso de Rutherford se refirió al trabajo de 1932 de sus alumnos John Cockcroft y Ernest Walton en "splitting" litio en partículas alfa mediante el 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, hacía que el proyecto fuera imposible como fuente práctica de energía (acelerador). -la fisión inducida de elementos ligeros sigue siendo demasiado ineficaz para ser utilizada de esta manera, incluso hoy en día). En parte, el discurso de Rutherford decía:

Podemos en estos procesos 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 buscaba una fuente de poder en la transformación de los átomos estaba hablando de luz de luna. Pero el tema fue científicamente interesante porque dio visión de los átomos.

Artículos nombrados en honor a la vida y obra de Rutherford

Una estatua de un joven Ernest Rutherford en su memoria en Brightwater, Nueva Zelanda.
Los descubrimientos científicos
Instituciones
Premios
Edificios
Streets
Otros
Una publicación rusa que representa el diagrama de estampación

Publicaciones

Radioaktive Substanzen und ihre Strahlungen, 1913

Artículos

Brazos

Carne de armas de Ernest Rutherford
Ernest Rutherford Arms.svg
Notas
Los brazos de Ernest Rutherford consisten en:
Crest
El coronet de un barón. En un timón de los colores, un kiwi Proper.
Escutcheon
Per saltire arqueó Gules y O, dos inescutcheones vacíos de la primera en la fess, dentro de cada una de las plantas.
Supporters
Dexter, Hermes Trismegistus (patrocinador mitológico del conocimiento y alquimistas). Siniestro, un guerrero maorí.
Motto
Primordia Quaerere Rerum ("Buscar los primeros principios de las cosas.")