Biorafia

Su padre, James, era un escocés granjero y mecánico, y su madre, Martha Rutherford, nacida en Inglaterra, que era maestra, emigró antes de casarse. Ambos deseaban dar a sus hijos una buena educación y tratar de que pudiesen proseguir sus estudios.

Rutherford destacó muy pronto por su curiosidad y su capacidad para la aritmética. Sus padres y su maestro lo animaron mucho, y resultó ser un alumno brillante, lo que le permitió entrar en el Nelson College, en el que estuvo tres años. También tenía grandes cualidades para el rugby, lo que le valía ser muy popular en su escuela. El último año, terminó en primer lugar en todas las asignaturas, gracias a lo cual entró en la Universidad, en el Canterbury College, en el que siguió practicando el rugby y en el que participó en los clubes científicos y de reflexión.

Por esa época empezó a manifestarse el genio de Rutherford para la experimentación: sus primeras investigaciones demostraron que el hierro podía magnetizarse por medio de altas frecuencias, lo que de por sí era un descubrimiento. Sus excelentes resultados académicos le permitieron proseguir sus estudios y sus investigaciones durante cinco años en total en esa Universidad. Se licenció en Christchurch y poco después consiguió la única beca de Nueva Zelanda para estudiar matemáticas, y sobrevivió el último año como maestro. Obtuvo de ese modo el título deMaster of Arts con una doble primera clase en matemáticas y física.

En 1894 obtuvo el título de Bachelor of Science, que le permitió proseguir sus estudios en Gran Bretaña, en los Laboratorios Cavendish deCambridge, bajo la dirección del descubridor del electrón, J.J. Thomson a partir de 1895. Fue el primer estudiante de ultramar que alcanzó esta posibilidad. Antes de salir de Nueva Zelanda, se prometió con Mary Newton, una joven de Christchurch. En los laboratorios Cavendish, reemplazaría años más tarde a su maestro J.J. Thomson.

Cambridge, 1895-1898

En primer lugar prosiguió sus investigaciones acerca de las ondas hertzianas, y sobre su recepción a gran distancia. Hizo una extraordinaria presentación de sus trabajos ante la Cambridge Physical Society, que se publicaron en las Philosophical Transactions de la Royal Society, hecho poco habitual para un investigador tan joven, lo que le sirvió para alcanzar notoriedad.

En diciembre de 1895, empezó a trabajar con Thomson en el estudio del efecto de los rayos X sobre un gas. Descubrieron que los rayos X tenían la propiedad de ionizar el aire, puesto que pudieron demostrar que producía grandes cantidades de partículas cargadas, tanto positivas como negativas, y que esas partículas podían recombinarse para dar lugar a átomos neutros. Por su parte, Rutherford inventó una técnica para medir la velocidad de los iones, y su tasa de recombinación. Estos trabajos fueron los que le condujeron por el camino a la fama.

En 1898, tras pasar tres años en Cambridge, cuando contaba con 27 años, le propusieron una cátedra de física en la Universidad McGill deMontreal, que aceptó inmediatamente, pues representaba para él la posibilidad de reunirse con su prometida, que seguía viviendo en Nueva Zelanda.

Manchester, 1907-1919: el núcleo atómico

En 1907, obtiene una plaza de profesor en la Universidad de Mánchester, en donde trabajará junto a Hans Geiger. Junto a éste, inventará un contador que permite detectar las partículas alfaemitidas por sustancias radiactivas (prototipo del futuro contador Geiger), ya que ionizando el gas que se encuentra en el aparato, producen una descarga que se puede detectar. Este dispositivo les permite estimar el número de Avogadro de modo muy directo: averiguando el periodo de desintegración del radio, y midiendo con su aparato el número de desintegraciones por unidad de tiempo. De ese modo dedujeron el número de átomos de radio presente en su muestra.

Primera transmutación de la materia, de Nitrógeno a Oxígeno, efectuado por Ernest Rutherford

En 1910 Rutherford y sus estudiantes realizaron un experimento que consistía en bombardear una fina lámina de oro con partículas alfa que son átomos de He a los que se le ha arrancado 1e-. Recogieron el resultado de este bombardeo en una placa fotográfica  y lo que observaron fue que la mayoría de las partículas alfa atravesaron la lámina de oro sin desviarse y que un pequeño número rebotaba en ángulos agudos.Rutherford propuso un modelo atómico en el que la masa y la carga + se encuentran en el núcleo pequeño a comparación con el tamaño del átomo y con los e- girando en órbitas circulares como si fuese un sistema planetario. Esto permite explicar los resultados experimentales. Al ser pequeña la probabilidad de encontrar un núcleo pocas son las partículas alfa que rebotan las que no se desvían es porque pasan lejos del núcleo y aquellas que sufren una pequeña desviación es porque pasan próximas al núcleo que tiene carga +. Al estar las 2 cargadas positivamente se repelen.En este modelo atómico la fuerza de atracción entre cargas viene expresado por la ley de Coulomb.

                                   F= K (q1-q2)/d(cuadrado)

Los e- están girando en órbitas concéntricas en torno al núcleo y no se caen sobre el núcleo a pesar de la atracción entre cargas distintas. La explicación de Rutherford es que los e- giran a gran velocidad lo que impide que con la atracción caigan sobre el núcleo.Otra aportación fue el cálculo del tamaño del átomo y núcleo el cual sería 10000veces más pequeño que el átomo.

                        Diámetro núcleo ~ 10 a la menos 12 cm.                        Diámetro atómico ~ 10 a la menos ocho cm.

Nuevas experiencias demostraron que el modelo propuesto por Rutherford era incompleto

En 1908, junto a uno de sus estudiantes, Thomas Royds, demuestra de modo definitivo lo que se suponía: que las partículas alfa son núcleos de helio. En realidad, lo que prueban es que una vez liberadas de su carga, las partículas alfa son átomos de helio. Para demostrarlo, aisló la sustancia radiactiva en un material suficientemente delgado para que las partículas alfa lo atravesaran efectivamente, pero para ello bloquea cualquier tipo de "emanación" de elementos radiactivos, es decir, cualquier producto de la desintegración. Recoge a continuación el gas que se halla alrededor de la caja que contiene las muestras, y analiza su espectro. Encuentra entonces gran cantidad de helio: los núcleos que constituyen las partículas alfa han recuperado electrones disponibles.

Ese mismo año gana el Premio Nobel de Química por sus trabajos de 1908. Sufrirá sin embargo un pequeño disgusto, pues él se considera fundamentalmente un físico. Una de sus citas más famosas es que "la ciencia, o es Física, o es filatelia", con lo que sin duda situaba la física por encima de todas las demás ciencias.

En 1911 hará su mayor contribución a la ciencia, al descubrir el núcleo atómico. Había observado en Montreal al bombardear una fina lámina de micacon partículas alfa, que se obtenía una deflexión de dichas partículas. Al retomar Geiger y Marsden de modo más concienzudo estos experimentos y utilizando una lámina de oro, se dieron cuenta de que algunas partículas alfa se desviaban más de 90 grados. Rutherford lanzó entonces la hipótesis, que Geiger y Marsden enfrentaron a las conclusiones de su experimento, de que en el centro del átomo debía haber un "núcleo" que contuviera casi toda la masa y toda la carga positiva del átomo, y que de hecho los electrones debían determinar el tamaño del átomo. Este modelo planetario había sido sugerido en 1904 por un japonés, Hantarō Nagaoka, aunque había pasado desapercibido. Se le objetaba que en ese caso los electrones tendrían que irradiar girando alrededor del núcleo central y, en consecuencia, caer. Los resultados de Rutherford demostraron que ese era sin dudar el modelo bueno, puesto que permitía prever con exactitud la tasa de difusión de las partículas alfa en función del ángulo de difusión y de un orden de magnitud para las dimensiones del núcleo atómico. Las últimas objeciones teóricas (sobre la irradiación del electrón) se desvanecieron con los principios de la teoría cuántica, y la adaptación que hizo Niels Bohr del modelo de Rutherford a la teoría de Max Planck, lo que sirvió para demostrar la estabilidad del átomo de Rutherford.

1.   El átomo es mayormente vacío, lo que explicaría el porque la mayoría de las particulas atravesaron la lámina de oro sin sufrir desviación.

En 1914 empieza la Primera Guerra Mundial, y Rutherford se concentra en los métodos acústicos de detección de submarinos.

2.   El átomo posee un centro denso, que abarca la totalidad de la masa. Además, este centro, llamado núcleo, está cargado positivamente, razón por la cual, las partículas alfa al acercarse a él sufrían desviaciones (cargas iguales se repelen).

3.   Debido a que el átomo es eléctricamente neutro, los electrones deben estar rodeando al núcleo, girando en órbitas circulares alrededor de él, tal y como lo hacen los planetas alrededor del Sol. La cantidad de electrones es igual y de signo contrario a la carga ubicada en el núcleo.

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORDLos datos obtenidos por Rutherford con el experimento anterior lo llevaron a formular una nueva teoría atómica, en la cual propone:

 Los átomos son en su mayor parte espacio vacío.  Los átomos poseen un núcleo central en el cual se concentra casi toda la masa del

átomo. El núcleo atómico es la zona mas compacta del átomo y posee carga positiva. Los electrones giran en torno al núcleo en órbitas circulares y concéntricas. El diámetro del átomo es, aproximadamente, 10000 veces el diámetro del núcleo

atómico. El átomo es eléctricamente neutro.

Con el descubrimiento del núcleo atómico por Rutherford, surgió una gran interrogante: 

¿ Qué mantiene a los electrones, negativamente cargados, unidos a un núcleo pequeño positivo, si a pesar de su mutua atracción electrostática, la distancia entre el núcleo y los

electrones es enorme? Rutherford propuso que tal vez los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas, tal como los planetas alrededor del sol.

Sin embargo según las leyes de la física clásica, al ser los electrones partículas con carga negativa, su movimiento de traslación alrededor del núcleo provocaría una pérdida continua de energía en forma de radiación electromagnética. Así, los electrones deberían caer al núcleo describiendo una trayectoria en espiral.

La falla del modelo de Rutherford radica en el planteamiento de que toda partícula eléctrica, separada de su posición de equilibrio, vibra con una frecuencia determinada, originando la emisión de una onda electromagnética. Esta vibración disminuye cuando pierde energía, hasta quedar en reposo, por lo que la fuerza centrífuga se anula, ocasionando un choque entre el electrón y el núcleo.

“El electrón gira formando un espiral en dirección al núcleo, perdiendo energía en forma del espectro de luz visible, hasta que este impactara con el centro del átomo (núcleo).”

Generalmente se le acredita a Ernest Rutherford el descubrimiento del proton. En el año 1918 Rutherford descubrió que cuando se disparan partículas alfa contra un gas de nitrógeno, sus detectores de centelleo muestran los signos de núcleos de hidrógeno. Rutherford determinó que el único sitio del cual podían provenir estos núcleos era del nitrógeno y que por tanto el nitrógeno debía contener núcleos de hidrógeno. Por estas razones Rutherford sugirió que el núcleo de hidrógeno, que en la época se sabía que su número atómico era 1, debía ser una partícula fundamental.

Antes que Rutherford, Eugene Goldstein había observado rayos catódicos compuestos de iones cargados positivamente en 1886. Luego del descubrimiento del electrón por J.J. Thomson, Goldstein sugirió que puesto que el átomo era eléctricamente neutro, el mismo debía contener partículas cargadas positivamente. Goldstein usó los rayos canales y pudo calcular la razón carga/masa. Encontró que dichas razones cambiaban cuando variaban los gases que usaba en el tubo de rayos catódicos. Lo que Goldstein creía que eran protones resultaron ser iones positivos. Sin embargo, sus trabajos fueron largamente ignorados por la comunidad de físicos.

Tras la guerra, ya en1919, lleva a cabo su primera transmutación artificial. Después de observar los protones producidos por el bombardeo de hidrógeno de partículas alfa (al observar el parpadeo que producen en pantallas cubiertas de sulfuro de zinc), se da cuenta de que obtiene muchos de esos parpadeos si realiza el mismo experimento con aire y aún más con nitrógeno puro. Deduce de ello que las partículas alfa, al golpear los átomos de nitrógeno, han producido un protón, es decir que el núcleo de nitrógeno ha cambiado de naturaleza y se ha transformado en oxígeno, al absorber la partícula alfa. Rutherford acababa de producir la primera transmutación artificial de la historia. Algunos opinan que fue el primer alquimista que consiguió su objetivo.

Rutherford recibió el Premio Nobel de Química de 1908 en reconocimiento a sus investigaciones relativas a la desintegración de los elementos. Entre otros honores, fue elegido miembro (1903) y presidente (1925-1930) de la Royal Society de Londres y se le concedieron los títulos de sir (1914) y de barón Rutherford of Nelson (1931). A su muerte, sus restos mortales fueron enterrados en la abadía de Westminster.

Los experimentos llevados a cabo por Rutherford permitieron, además, el establecimiento de un orden de magnitud para las dimensiones reales del núcleo atómico. Durante la Primera Guerra Mundial estudió la detección de submarinos mediante ondas sonoras, de modo que fue uno de los precursores del sonar.

Asimismo, logró la primera transmutación artificial de elementos químicos (1919) mediante el bombardeo de un átomo de nitrógeno con partículas alfa. Las transmutaciones se deben a la capacidad de transformarse que tiene un átomo sometido a bombardeo con partículas capaces de penetrar en su núcleo. Muy poco después de su descubrimiento se precisaron las características de las transmutaciones y se comprobó que la energía cinética de los protones emitidos en el proceso podía ser mayor que la de las partículas incidentes, de modo que la energía interna del núcleo tenía que intervenir la transmutación. En 1923, tras fotografiar cerca de 400 000 trayectorias de partículas con la ayuda de una cámara de burbujas (cámara de Wilson), Blackett pudo describir ocho transmutaciones y establecer la reacción que había tenido lugar.

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