Toda una amalgama: Rutherford, el físico que ganó un Nobel de Química

sábado, 30 de agosto de 2014

Rutherford, el físico que ganó un Nobel de Química

El 30 de agosto de 1871 nacía Ernest Rutherford en la ciudad de Nelson (Nueva Zelanda). Acababa de ver la luz uno de los físicos más relevantes del siglo XX. Hoy se conmemora el centésimo cuadragésimo tercer aniversario de su nacimiento y, aunque le recordamos mayormente por el modelo atómico que lleva su nombre, resulta de justicia señalar el logro que le valió el Premio Nobel de Química en 1908.

Desde sus inicios Rutherford fue un estudiante brillante, lo que le permitió obtener una beca por la Universidad de Christchurch para estudiar matemáticas. De lo contrario, con once hermanos y unos padres granjeros, jamás habría podido finalizar sus estudios y, lamentablemente, su nombre no hubiera llegado hasta nuestros días.

Pronto quedó probado su talento al demostrar experimentalmente la magnetización del hierro sometido a altas frecuencias. Comenzaba a dar los primeros pasos para convertirse en el primer estudiante de ultramar admitido en el laboratorio Cavendish de Cambridge (el cual dirigió tras la obtención del Nobel). Allí trabajó bajo la dirección del célebre J. J. Thomson, estudiando los efectos de los rayos X sobre un determinado gas. Esta investigación desveló cómo se recombinan las partículas negativas y positivas para originar átomos neutros.

Paralelamente, Henri Becquerel acababa de descubrir la denominada “radiación uránica” que, hasta la fecha, seguía entrañando muchas incógnitas. Intrigado, Rutherford se propuso analizar con detenimiento esas emisiones desconocidas. De modo que, en 1899, publicó un documento en el que describía dos radiaciones diferenciadas para el uranio. (En el caso de los elementos radiactivos, las emisiones se producen de manera espontánea).

Lo que Rutherford observó corresponde a las radiaciones que él mismo designó como alfa y beta, que en esencia difieren por su poder de penetración. Hoy sabemos que estas radiaciones resultan de la desintegración del núcleo de cualquier elemento pesado como, por ejemplo, el uranio. (El tercer tipo de radiación, los rayos gamma, los descubrió Paul Villard en 1900).

Más adelante se trasladó a la Universidad de Montreal (Canadá), donde siguió trabajando en la misma línea de investigación. Con la colaboración de Frederick Soddy, en 1902 llegó a la conclusión de que las emanaciones de otro elemento pesado, en este caso el torio, consistían en átomos radiactivos derivados de la desintegración de su núcleo. Esto suponía una variación en su masa y, por tanto, en su naturaleza, lo que implicó una verdadera revolución. ¿Por qué? Porque la comunidad científica de la época asentaba sus bases en el principio de la indestructibilidad de la materia, y los estudios de Rutherford refutaban este fundamento. Por sus implicaciones, muchos científicos influyentes se resistieron a aceptar el cambio, entre ellos Pierre Curie. Sin embargo, el rigor de las pruebas dio la razón a Rutherford.

A estas alturas, ningún contemporáneo dudaba ya de su credibilidad científica. De estas investigaciones realizadas entre 1899 y 1904 dedujo los resultados que le hicieron merecedor del Premio Nobel en el año 1908.

Estas conclusiones se recogen en el libro titulado Sustancias radiactivas y sus radiaciones. Allí explicaba que la radioactividad no depende de las condiciones externas (tales como presión o temperatura), ni de las reacciones químicas implicadas. La fisión de núcleos pesados además, constituye un proceso exotérmico, es decir, libera grandes cantidades de energía. La clave radica en que Rutherford expuso que la desintegración del núcleo de cualquier elemento radiactivo conlleva una desaparición de dicho elemento para dar lugar a nuevos elementos más ligeros.

Como si se aplaudiese al increíble Hulk por destapar un frasco de conservas, Rutherford recibió este premio con ciertos reparos. Le molestó, de hecho, que le concedieran el Premio Nobel de Química, cuando él se consideraba físico por encima de todo.

Con la intención de demarcar sus competencias se centró en los interrogantes que quedaban abiertos en torno a la radiación alfa. En primer lugar, identificó la naturaleza de las partículas que componen esta radiación. Dedujo que se trataba de núcleos de helio. Enseguida reparó en que las lagunas teóricas precisaban de una descripción más exacta de la estructura del átomo. Así que, tomando el modelo de Thomson como partida, se propuso diseñar un experimento que arrojase luz sobre la estructura atómica.

De este modo surgió el modelo atómico de Rutherford. El experimento consistía en bombardear una lámina fina de oro con partículas alfa. Al llevarlo a cabo comprobó que un porcentaje alto de partículas lograba atravesar la lámina sin sufrir desviaciones significativas en su trayectoria. Sin embargo, existía una cantidad restante de partículas que se desviaba de forma apreciable, a veces incluso bajo ángulos de difusión por encima de los 90 grados.

Este efecto solo se podía explicar considerando la estructura atómica como un núcleo central pequeño, pero muy pesado, y cargado positivamente. Como las partículas alfa poseen carga positiva son repelidas por la carga igualmente positiva del núcleo. Por el contrario, aquellas que en efecto atraviesan la lámina indican un vacío de carga en el interior del átomo. Se evidenciaba así la inconsistencia del anterior modelo atómico de Thomson, estático y macizo, que describía al átomo con partículas positivas y negativas distribuidas uniformemente. Rutherford, en cambio, propuso un modelo dinámico y hueco, con la carga positiva concentrada en el núcleo y los electrones girando alrededor en órbitas circulares relativamente muy alejadas. Además, en concordancia, el átomo resultaba eléctricamente neutro.

El logro de Rutherford, no obstante, consistió en proporcionar una base experimental. En cualquier caso, su modelo albergaba limitaciones insalvables, en armonía con la física clásica. Según la teoría de Maxwell, los electrones se aceleran al girar y, por tanto, emiten radiación electromagnética. Cuando esto sucede pierden energía y, como consecuencia, si realmente orbitasen en torno al núcleo se caerían sobre este en poco tiempo. Con todo, hoy se considera su mayor aportación a la física, una fama que no responde íntegramente a la realidad. La realidad cuenta muchas otras importantes contribuciones.

El Barón Rutherford de Nelson, de Cambridge (título que recibió en 1931), falleció el 19 de octubre de 1937, y fue enterrado en la abadía de Westminster, junto a Isaac Newton. Setenta y siete años más tarde, para hacer honor a la verdad, podemos recordarle por la identificación de las dos primeras radiaciones; por la descripción de la radiactividad; por la invención de una técnica para medir la velocidad de los iones y su tasa de recombinación; por trabajar junto a Hans Geiger, con quien diseñó el conocido contador Geiger para detectar partículas alfa emitidas por sustancias radiactivas; por la estimación directa del número de Avogadro; por el descubrimiento de los núcleos de helio; por la primera transmutación artificial; o por sentar las bases del sónar. Porque, en resumen, contribuyó de manera incansable a la ciencia experimental. Pero, sobre todo, porque constituye uno de los mayores representantes de la física de principios del siglo XX.