Ernest Rutherford, nacido el 30 de agosto de 1871 en Spring Grove, Nueva Zelanda, fue un físico británico considerado el mayor experimentalista desde Michael Faraday (1791-1867) y la figura central en el estudio de la radiactividad.
El padre de Rutherford, James Rutherford, se mudó de Escocia a Nueva Zelanda cuando era niño a mediados del siglo XIX y se dedicó a la agricultura en esa sociedad agraria, que recién había sido colonizada por los europeos. La madre de Rutherford, Martha Thompson, llegó de Inglaterra, también cuando era joven, y trabajó como maestra de escuela antes de casarse y criar a una docena de hijos, de los cuales Ernest fue el cuarto hijo y el segundo varón.
Concurrió a escuelas públicas gratuitas hasta 1886, cuando ganó una beca para asistir a la Nelson Collegiate School, una escuela secundaria privada. Se destacó en casi todas las materias, pero especialmente en matemáticas y ciencias.
En 1890, obtuvo otra beca para estudiar en el Canterbury College de Christchurch, uno de los cuatro campus de la Universidad de Nueva Zelanda. Se trataba de una escuela pequeña, con ocho profesores y menos de 300 estudiantes. Rutherford tuvo la suerte de contar con profesores excelentes, que despertaron en él una fascinación por la investigación científica atenuada por la necesidad de pruebas sólidas.
Al finalizar el curso de tres años de la escuela, recibió una licenciatura en artes (BA) y ganó una beca para un año de estudio de posgrado en Canterbury. Completó esto a fines de 1893, obteniendo una maestría en artes (MA) con honores de primera clase en ciencias físicas, matemáticas y física matemática.
Se le animó a permanecer un año más en Christchurch para realizar una investigación independiente. La investigación de Rutherford sobre la capacidad de una descarga eléctrica de alta frecuencia, como la de un condensador, para magnetizar el hierro le valió una licenciatura en ciencias (BS) a fines de 1894. Durante este período se enamoró de Mary Newton, la hija de la mujer en cuya casa se alojaba. Se casaron en 1900.
En 1895, Rutherford ganó una beca que se había creado con los beneficios de la famosa Gran Exposición de 1851 en Londres. Decidió continuar sus estudios en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, al mando desde 1884 de J.J. Thomson, el principal experto europeo en radiación electromagnética.
En reconocimiento de la creciente importancia de la ciencia, la Universidad de Cambridge había cambiado recientemente sus reglas para permitir que los graduados de otras instituciones obtuvieran un título después de dos años de estudio y la finalización de un proyecto de investigación aceptable. Rutherford se convirtió en el primer estudiante de investigación de la escuela.
Además de demostrar que una descarga oscilatoria magnetizaría el hierro, lo que ya se sabía, Rutherford determinó que una aguja magnetizada perdía parte de su magnetización en un campo magnético producido por una corriente alterna. Esto convirtió a la aguja en un detector de ondas electromagnéticas, un fenómeno que se había descubierto recientemente.
En 1864, el físico escocés James Clerk Maxwell había predicho la existencia de tales ondas, y entre 1885 y 1889, el físico alemán Heinrich Hertz las había detectado en experimentos en su laboratorio.
El aparato de Rutherford para detectar ondas electromagnéticas, u ondas de radio, era más sencillo y tenía potencial comercial.
Pasó el año siguiente en el Laboratorio Cavendish aumentando el alcance y la sensibilidad de su dispositivo, que podía recibir señales a media milla de distancia. Sin embargo, Rutherford carecía de la visión intercontinental y las habilidades empresariales del inventor italiano Guglielmo Marconi, que inventó el telégrafo inalámbrico en 1896.
Los rayos X fueron descubiertos en Alemania por el físico Wilhelm Conrad Röntgen sólo unos meses después de que Rutherford llegara al Cavendish. Por su capacidad para tomar fotografías de siluetas de los huesos de una mano viva, los rayos X fascinaban tanto a los científicos como a los profanos. En particular, los científicos deseaban aprender sus propiedades y qué eran.
Rutherford no pudo rechazar el honor de la invitación de Thomson para colaborar en una investigación sobre la forma en que los rayos X cambiaban la conductividad de los gases. Esto dio como resultado un artículo clásico sobre ionización y la atracción de las partículas cargadas hacia electrodos de polaridad opuesta.
Luego, Thomson estudió la relación carga-masa del ion más común, que más tarde se denominó electrón, mientras que Rutherford investigó otras radiaciones que producían iones.
Primero estudió la radiación ultravioleta y luego la radiación emitida por uranio (La radiación de uranio fue detectada por primera vez en 1896 por el físico francés Henri Becquerel).
La colocación de uranio cerca de láminas delgadas reveló a Rutherford que la radiación era más compleja de lo que se pensaba anteriormente: un tipo era fácilmente absorbido o bloqueado por una lámina muy delgada, pero otro tipo a menudo penetraba las mismas láminas delgadas. Denominó a estos tipos de radiación alfa y beta, respectivamente, para simplificar.
Durante los siguientes años estas radiaciones fueron de interés primario; más tarde, los elementos radiactivos, o radioelementos, que emitían radiación, disfrutaron de la mayor parte de la atención científica.
La capacidad de investigación de Rutherford le valió una cátedra en la Universidad McGill de Montreal, que contaba con uno de los laboratorios mejor equipados del hemisferio occidental.
Al centrar su atención en otro de los pocos elementos que se sabía que eran radiactivos, él y un colega descubrieron que el torio emitía un producto radiactivo gaseoso, al que llamó “emanación”, que a su vez dejaba un depósito activo sólido, que pronto se descompuso en torio A, B, C, etc.
Curiosamente, después del tratamiento químico, algunos radioelementos perdían su radiactividad, pero con el tiempo la recuperaban, mientras que otros materiales, inicialmente fuertes, iban perdiendo actividad gradualmente. Esto dio origen al concepto de vida media, que va desde segundos hasta miles de millones de años y es único para cada radioelemento, por lo que constituye una excelente etiqueta de identificación.
Rutherford reconoció su necesidad de ayuda química experta con el creciente número de radioelementos. Secuencialmente, atrajo las habilidades de Frederick Soddy, un demostrador en McGill; Bertram Borden Boltwood, un profesor en la Universidad de Yale; y Otto Hahn, un investigador postdoctoral de Alemania.
Con Soddy, desarrolló en 1902-03, la teoría de la transformación, o teoría de la desintegración, como una explicación de la radiactividad, su mayor logro en McGill.
La alquimia y sus teorías de transformación de elementos, como el plomo en oro, habían sido exorcizadas desde hacía tiempo por la llamada química moderna; los átomos eran considerados cuerpos estables. Pero Rutherford y Soddy ahora afirmaban que la energía de la radiactividad provenía del interior del átomo, y la emisión espontánea de una partícula alfa o beta significaba un cambio químico de un elemento a otro. Esperaban que esta teoría iconoclasta fuera controvertida, pero su abrumadora evidencia experimental sofocó la oposición.
En poco tiempo se reconoció que los radioelementos se dividían en tres familias o series de desintegración, encabezadas por el uranio, el torio y el actinio, y todas terminaban en plomo inactivo.
El radio pertenece a la serie del uranio y, siguiendo la sugerencia de Rutherford, utilizó la cantidad de plomo que aumentaba lentamente en un mineral para demostrar que la edad de las rocas antiguas estaba en el rango de los mil millones de años. Rutherford consideró que la partícula alfa, debido a que tenía una masa tangible, era clave para las transformaciones. Determinó que tenía una carga positiva, pero no podía distinguir si era un ion de hidrógeno o de helio.
Mientras estaba en McGill, Rutherford se casó con su novia de Nueva Zelanda y se hizo famoso. Acogió a un número cada vez mayor de estudiantes de investigación en su laboratorio, incluidas mujeres en una época en la que pocas mujeres estudiaban ciencias. Era muy solicitado como conferenciante y autor de artículos para revistas; también escribió el principal libro de texto de la época sobre radiactividad, Radioactividad (1904).
Obtuvo medallas y una beca de la Royal Society de Londres. Inevitablemente, también le llegaron ofertas de trabajo.
América del Norte tenía una buena comunidad científica, pero el centro mundial de la física estaba en Europa. Cuando en 1907 le ofrecieron a Rutherford una cátedra en la Universidad de Manchester, cuyo laboratorio de física sólo era superado en Inglaterra por el Laboratorio Cavendish de Thomson, la aceptó. Un año después, su trabajo en Montreal fue honrado con el Premio Nobel de Química. Poco después, Rutherford escribió la entrada sobre la radiactividad para la 11.ª edición (1910) de la Encyclopædia Britannica.
Con el físico alemán Hans Geiger, Rutherford desarrolló un contador eléctrico para partículas ionizadas; cuando Geiger lo perfeccionó, el contador Geiger se convirtió en la herramienta universal para medir la radiactividad.
Gracias a la habilidad del soplador de vidrio del laboratorio, Rutherford y su alumno Thomas Royds pudieron aislar algunas partículas alfa y realizar un análisis espectroquímico, demostrando que las partículas eran iones de helio. Boltwood visitó entonces el laboratorio de Rutherford y juntos volvieron a determinar la tasa de producción de helio por el radio, a partir de la cual calcularon un valor preciso de Número de Avogadro.
Continuando con su interés de larga data en la partícula alfa, Rutherford estudió su ligera dispersión cuando chocaba contra un papel metálico. Geiger se unió a él y obtuvieron cada vez más datos cuantitativos.
En 1909, cuando un estudiante, Ernest Marsden, necesitaba un proyecto de investigación, Rutherford le sugirió que buscara dispersión de gran ángulo. Marsden descubrió que una pequeña cantidad de alfas estaban giradas más de 90 grados con respecto a su dirección original, lo que llevó a Rutherford a exclamar (con adornos a lo largo de los años): "Fue casi tan increíble como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas a un trozo de papel de seda y regresara y te golpeara".
En 1911, Rutherford se preguntó cómo una partícula tan pesada y cargada como la alfa podía girar por atracción o repulsión electrostática en un ángulo tan grande y concibió que el átomo no podía ser un sólido uniforme, sino que consistía principalmente en espacio vacío, con su masa concentrada en un núcleo diminuto. Esta idea (el modelo atómico de Rutherford), combinada con la evidencia experimental que la respaldaba, fue la mayor contribución científica de Rutherford, pero recibió poca atención más allá de Manchester.
Sin embargo, en 1913, el físico danés Niels Bohr demostró su importancia. Bohr había visitado el laboratorio de Rutherford el año anterior y regresó como miembro de la facultad durante el período 1914-16. Explicó que la radiactividad se encuentra en el núcleo, mientras que las propiedades químicas se deben a los electrones orbitales. Su teoría (el modelo atómico de Bohr) entretejió el nuevo concepto de cuantos (o valores específicos de energía discreta) en la electrodinámica de las órbitas, y explicó las líneas espectrales como la liberación o absorción de energía por los electrones cuando saltan de una órbita a otra.
Henry Moseley, otro de los muchos alumnos de Rutherford, explicó de manera similar la secuencia del espectro de rayos X de los elementos como debida a la carga del núcleo. De este modo, se desarrolló la física atómica, así como el campo de la física nuclear.
La Primera Guerra Mundial prácticamente vació el laboratorio de Rutherford, y él mismo se dedicó a la investigación antisubmarina. También fue miembro de la Junta de Invención e Investigación del Almirantazgo. Cuando encontró tiempo para volver a sus anteriores intereses de investigación, Rutherford examinó la colisión de partículas alfa con gases. Con el hidrógeno, como se esperaba, los núcleos (protones individuales) fueron impulsados al detector. Pero, sorprendentemente, también aparecieron protones cuando las alfas chocaron con el nitrógeno.
En 1919, Rutherford explicó su tercer gran descubrimiento: había provocado artificialmente una reacción nuclear en un elemento estable.
Estas reacciones nucleares ocuparon a Rutherford durante el resto de su carrera, que desarrolló en la Universidad de Cambridge, donde sucedió a Thomson en 1919 como director del Laboratorio Cavendish. Rutherford trajo al físico James Chadwick, un colega de Manchester, a Cavendish. Juntos, bombardearon una serie de elementos ligeros con alfas e indujeron transformaciones. Pero no pudieron penetrar en los núcleos de elementos más pesados, ya que los alfas eran repelidos por sus cargas mutuas, ni pudieron determinar si el alfa rebotó después de la colisión o se combinó con el núcleo objetivo. En ambos casos se necesitaba tecnología más avanzada.
Para los primeros, las energías más altas producidas en los aceleradores de partículas estuvieron disponibles a fines de la década de 1920.
En 1932, dos de los estudiantes de Rutherford, John D. Cockcroft de Inglaterra y Ernest T.S. Walton de Irlanda, fueron los primeros en provocar realmente una transformación nuclear; con su acelerador lineal de alto voltaje, bombardearon litio con protones y provocaron que se dividiera en dos partículas alfa. La pareja compartió el Premio Nobel de Física de 1951 por este trabajo.
En cuanto a lo que realmente ocurría en una colisión, el físico escocés Charles T.R. Wilson había desarrollado en el Cavendish la cámara de nubes, que proporcionaba evidencia visual de las huellas de las partículas cargadas y por la que recibió el Premio Nobel de Física de 1927.
En 1924, el físico inglés Patrick M.S. Blackett modificó el aparato de la cámara de nubes para fotografiar unas 400.000 colisiones alfa y descubrió que la mayoría eran encuentros elásticos ordinarios, mientras que ocho mostraban desintegraciones en las que el alfa era absorbido por el núcleo objetivo antes de que ese núcleo se rompiera en dos fragmentos. Este fue un paso importante en la comprensión de las reacciones nucleares, por el que recibió el Premio Nobel de Física de 1948.
El Cavendish fue el hogar de otros trabajos apasionantes. La existencia del neutrón había sido predicha en un discurso de Rutherford en 1920. Después de una larga búsqueda, Chadwick descubrió esta partícula neutra en 1932, lo que indica que el núcleo estaba compuesto de neutrones y protones, mientras que un colega, el físico inglés Norman Feather, pronto demostró que los neutrones podían causar reacciones nucleares con mayor facilidad que las partículas cargadas.
Charles D. Ellis, que era otro físico que trabajaba en el Laboratorio Cavendish, examinó los espectros de rayos beta y gamma, lo que contribuyó al conocimiento de la estructura nuclear. Con un regalo de parte del agua pesada recién descubierta de los Estados Unidos, en 1934 Rutherford, el físico australiano Mark Oliphant y el físico químico alemán Paul Harteck bombardearon deuterio con deuterones, produciendo tritio en la primera reacción de fusión.
Rutherford tenía pocos intereses fuera de la ciencia, principalmente el golf y el automovilismo. Era políticamente liberal pero no políticamente activo, aunque presidió el consejo asesor del Departamento de Investigación Científica e Industrial del gobierno y fue presidente (desde 1933 hasta su muerte) del Consejo de Asistencia Académica y su organización sucesora, la Sociedad para la Protección de la Ciencia y el Aprendizaje, una organización diseñada para ayudar a los científicos que habían huido de la Alemania nazi.
En 1931 fue nombrado par, pero cualquier gratificación que este honor pudiera haberle traído se vio empañada por la muerte de su hija solo ocho días antes. Murió el 19 de febrero de 1937 en Cambridge después de una corta enfermedad y fue enterrado en la Abadía de Westminster.
* Enciclopedia Británica
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