Ernest Rutherford - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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Ernest Rutherford


La vida de un pionero

Ernest Rutherford nació en Bridgewater, cerca de la ciudad de Nelson en Nueva Zelanda el 30 de Agosto de 1871. Fue el cuarto de los doce hijos de unos emigrantes británicos establecidos en Nueva Zelanda a mediados del siglo XIX. Sus primeros años transcurrieron en la granja familiar. Su interés por la Ciencia le lleva a estudiar en el Canterbury College de la Universidad de Nueva Zelanda, donde se gradúa en Física y Matemáticas en 1893. En sus primeros trabajos de investigación desarrolla un detector de ondas de radio basado en las propiedades magnéticas del hierro.

Rutherford se traslada en 1895 a la Universidad de Cambridge en Inglaterra, donde trabaja bajo la dirección de J. J. Thomson en el prestigioso Cavendish Laboratory. Siguiendo las indicaciones de este ultimo dedicó sus esfuerzos al estudio de los rayos X, que habían sido recientemente descubiertos. En este período desarrolla un detector de ondas electromagnéticas y en 1898 descubre las partículas alfa y beta en la radiación del uranio.

En 1898 le ofrecen un puesto de profesor en la Universidad de McGill en Montreal (Canadá). Rutherford acepta la oferta y se desplaza a Canadá donde, en poco tiempo, funda un grupo de trabajo en el Macdonald Laboratory. Entre sus colaboradores de esta época se cuentan Frederick Soddy (premio Nobel en 1921) y Otto Hahn (premio Nobel en 1944). Conjuntamente con Soddy obtiene las leyes de las desintegraciones radiactivas y descubre que la radioactividad es un proceso en el cual los átomos de un elemento se convierten en átomos de otro elemento diferente, algo que, hasta aquel momento se consideraba propio de la alquimia y no de la ciencia seria. Por estos trabajos sería recompensado con el premio Nobel de Química en 1908.

En 1907 Rutherford vuelve a Inglaterra. El hasta entonces Langworthy Professor en la Universidad de Manchester (Sir Arthur Schuster) promete retirarse a condición de que su puesto sea ofrecido a Rutherford, quien acepta el puesto. En Manchester Rutherford puso en marcha un centro para el estudio de la radiación al que se incorpora, entre otros, Hans Geiger. Sería en Manchester, en 1909, donde, en colaboración con Geiger y Mardsen, efectuaría su más extraordinario descubrimiento. Al bombardear con partículas alfa una lámina de oro observan que aproximadamente una de cada 8000 partículas son desviadas más de 90 grados respecto de su dirección inicial de movimiento. Este resultado es incompatible con el modelo atómico imperante en la época (debido a J. J. Thomson) y fue explicado por Rutherford en 1911 al proponer un modelo planetario del átomo en el cual los electrones orbitan en torno a un núcleo cargado positivamente.

En 1919 regresó a Cambridge como director del Cavendish Laboratory, sucediendo a J. J. Thomson. De esta época data su último gran descubrimiento : consiguió, por primera vez en la historia, transmutar artificialmente un elemento. Al bombardear átomos de nitrógeno con partículas alfa obtuvo átomos de oxígeno junto con una nueva radiación cuya masa era aproximadamente igual a la del átomo de hidrógeno. A esta nueva radiación la denominó protón. Más tarde identificó los protones con los núcleos de hidrógeno.

En 1931 fue nombrado primer Barón de Nelson, lo que le daba derecho a sentarse en la Cámara de los Lores. Falleció el 19 de Octubre de 1937. Sus cenizas reposan en la abadía de Westminster junto a las de Sir Isaac Newton y Lord Kelvin.


El atomismo moderno

La hipótesis atómica fue introducida, sin ninguna justificación experimental, por el filósofo griego Demócrito hace 2400 años. La moderna teoría atómica fue formulada a principios del siglo XIX por el químico inglés John Dalton, basándose en las leyes químicas descubiertas algunos años antes por Lavoisier y Proust. El progreso de la química a lo largo del siglo XIX permitió acumular una serie muy precisa de datos y conocimientos sobre los diferentes tipos de átomos y sus características. A pesar de ello no se tenía una evidencia directa de la realidad de los átomos y, por supuesto, no se conocía nada acerca de su verdadera naturaleza.

El descubrimiento del electrón en los rayos catódicos por J. J. Thomson en 1897 fue el pistoletazo de salida para la formulación de los diferentes modelos del átomo. Thomson observó que el electrón es unas 1836 veces más ligero que el átomo más pequeño (el hidrógeno), lo que puso en evidencia que el átomo no debe de ser el componente más elemental de la materia, en contraste con la noción de átomo como componente indivisible de la materia heredada de los filósofos griegos. Pronto se hizo evidente que el electrón debería de ser un componente del átomo. El primero de los modelos compuestos del átomo fue propuesto por J. J. Thomson en 1898. Thomson sugirió que era una esfera sólida positivamente cargada en la cual se movían los electrones de forma que el conjunto fuese eléctricamente neutro. A este modelo se le denomina gráficamente el "pudding de pasas" (las pasas serían los electrones). Lo fundamental del modelo de Thomson es que la materia en el átomo está distribuida homogéneamente.

Estas ideas sobre la constitución del átomo eran las predominantes cuando Rutherford Geiger y Mardsen llevaron a cabo en Manchester su experimento de colisión de partículas alfa contra láminas de oro. El hecho de que una parte significativa de las partículas alfa fuese desviada noventa grados o más respecto de su trayectoria de incidencia le pareció a Rutherford un descubrimiento excepcional (en varias ocasiones declaró que este había sido el más increíble hallazgo de su vida). En sus propias palabras "es como si se disparase una bala de cañón contra una hoja de papel y la bala saliera rebotada hacia atrás". Estaba claro que en estos casos la partícula alfa debía de haberse encontrado frontalmente con un objeto cargado mucho más masivo que ella. Esta concentración de masa es claramente incompatible con el modelo de Thomson.

Un año y medio tardó Rutherford en encontrar una explicación a tan excepcional hecho experimental. Sus resultados fueron presentados públicamente por vez primera el 7 de Marzo de 1911 en una reunión de la Manchester Literary and Philosophical Society. Rutherford propuso que la masa del átomo (y su carga positiva) deben de estar concentrados en una región extremadamente pequeña, que denomino núcleo, alrededor de la cual se mueven los electrones. De los resultados experimentales estimó que el tamaño del núcleo debía de ser entre unas diez mil y cien mil veces más pequeño que el del átomo. Había nacido la Física Nuclear. Aunque estas ideas revolucionarias fueron acogidas inicialmente con escepticismo y desconfianza, el paso del tiempo ha demostrado que son esencialmente correctas y que el átomo de Rutherford, una vez que se le han incorporado las ideas de la mecánica cuántica, permite dar explicación a todos los hechos experimentales conocidos hasta la fecha.

Para verificar que su modelo reproduce la distribución angular de partículas alfa observadas experimentalmente, Rutherford utilizó la mecánica clásica. En realidad, la colisión de una partícula alfa con un núcleo ha de tratarse con los métodos de la mecánica cuántica. Sucede, no obstante, que el cálculo cuántico da exactamente el mismo resultado que el clásico para la distribución angular de partículas alfa dispersadas. Esta es una afortunada coincidencia sin la cual la aceptación de la validez del átomo de Rutherford se podría haber retrasado considerablemente y la historia de la Física Moderna podría haber sido radicalmente diferente.


El legado de Rutherford

Ernest Rutherford está considerado, con justicia, el padre de la Física Nuclear. Puede decirse que sus trabajos e ideas nos han desvelado un mundo nuevo: el mundo del núcleo atómico.

Para hacerse una idea de la notable influencia de sus ideas entre sus contemporáneos basta señalar que la mecánica cuántica, una de las grandes revoluciones científicas de la historia de la Humanidad, fue desarrollada por Niels Bohr (y más tarde por Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Dirac y otros) para tratar de hacer estable el átomo de Rutherford. Es de destacar, por otra parte, el liderazgo que ejerció sobre numerosos físicos que habrían de hacer grandes contribuciones al campo de la Física, muchos de ellos distinguidos con el premio Nobel.

Para comprender su ideario científico es muy ilustrativo recordar sus propias palabras, pronunciadas en 1923 en una reunión de la British Association for the Advancement of Science:

"Estoy cada vez más y más impresionado por el poder del método científico para extender nuestro conocimiento de la Naturaleza. Los experimentos, dirigidos por una imaginación disciplinada o, incluso mejor, por un grupo de individuos que posean diferentes puntos de vista, es capaz de alcanzar resultados que, de lejos, superan la imaginación del más grande filósofo natural. Los experimentos sin imaginación o la imaginación sin el recurso al experimento no llevan a gran cosa pues, para un progreso efectivo, es necesario una feliz combinación de estos dos poderes".

Así era Ernest Rutherford: el prototipo de científico capaz de combinar el experimento con la reflexión y la creatividad y de descubrir nuevas fronteras científicas.


 
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