Maquina de Atwood



La máquina de Atwood fue inventada en 1784 por George Atwood como un experimento de laboratorio para verificar las leyes mecánicas del movimiento uniformemente acelerado. La máquina de Atwood es una demostración común en las aulas usada para ilustrar los principios de la Física, específicamente en Mecánica.
La máquina de Atwood consiste en dos masas, y , conectadas por una cuerda inelástica de masa despreciable con una polea ideal de masa despreciable.
Cuando , la máquina está en equilibrio neutral sin importar la posición de los pesos.
Cuando ambas masas experimentan una aceleración uniforme.

-Ecuación para la aceleración uniforme:
Podemos obtener una ecuación para la aceleración usando análisis de fuerzas. Puesto que estamos usando una cuerda inelástica con masa despreciable y una polea ideal con masa despreciable, las únicas fuerzas que tenemos que considerar son: la fuerza tensión (T) y el peso de las dos masas (mg). Para encontrar el tenemos que considerar la fuerzas que afectan a cada masa por separado
fuerzas que afectan :
fuerzas que afectan :

Usando la segunda Ley de Newton del movimiento podemos obtener una ecuación para la aceleración del sistema.





[Nota: Inversamente, la aceleración debida a la gravedad (g) puede obtenerse cronometrando el movimiento de los pesos y calculando un valor para la aceleración uniforme (a).]


-Ecuación para la tensión:
Puede ser útil obtener una ecuación para la tensión en la cuerda. Para evaluar la tensión sustituimos la ecuación por la aceleración en cualquiera de las dos ecuaciones de fuerza.

Por ejemplo sustituyendo en , obtenemos

La tensión puede obtenerse de una forma similar de


-Ecuación para una polea no ideal:
Para diferencias muy pequeñas de masa y entre m₁ y m₂, el momento de inercia (I) sobre la polea de radio r no puede ser despreciada. La aceleración angular de la polea viene dada por:

En este caso, el torque total del sistema se convierte en:

 -Implementaciones prácticas:

Las ilustraciones originales de Atwood muestran el eje de la polea principal descansando sobre el borde de otras cuatro ruedas, para minimizar las fuerzas de fricción de los cojinetes. Muchas implementaciones históricas de la máquina siguen este diseño.
Un ascensor con un contrapeso se aproxima a una máquina de Atwood ideal y de ese modo alivia al motor conductor de la carga de aguantar la cabina del ascensor — tiene que vencer sólo la diferencia entre el peso y la inercia de las dos masas. El mismo principio se usa para ferrocarriles con dos vagones conectados en vías inclinadas.

Contracción Lantánida

define a lo largo de la serie 4f de la tabla periódica (T.P.) la disminución progresiva del tamaño de los átomos y sus especies en estado (III) en función integrada de la carga nuclear y de las correcciones relativistas.

Dentro del bloque d de la T.P. que va desde el grupo 3 hasta el 12 podemos diferenciar tres series, que denominamos 1ª, 2ª y 3ª serie, también serie 3d, 4d y 5d, respectivamente.
Los metales de la 2ª y 3ª serie son muy similares, especialmente en los primeros grupos. Estas similitudes son el resultado de lo que se conoce como contracción lantánida. En el grupo 3, el ytrio (Y) y el lantano (La) muestran una química diferenciada que es consecuencia de los diferentes radios iónicos, energía de ionización, energía de solvatación, etc. Sin embargo, la inserción de los 14 elementos lantánidos entre el lantano y el hafnio (estructura electrónica general para un átomo lantánido en su estado fundamental:[Xe] 4fⁿ 5d⁰ 6s² ;n = 1 a 14), lleva consigo un gran aumento de la carga nuclear efectiva; se están colocando electrones en los siete orbitales f, con la particularidad de que los electrones de estos orbitales penetran poco hacia el núcleo del átomo y proporcionan un apantallamiento débil frente a la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones situados en orbitales más exteriores.

Elemento	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
Configuración electrónica del átomo (todos parten de la config. del [Xe])	4f15d16s2	4f36s2	4f46s2	4f56s2	4f66s2	4f76s2	4f75d16s2	4f96s2	4f106s2	4f116s2	4f126s2	4f136s2	4f146s2	4f145d16s2
Configuración electrónica del ion Ln3+	4f1	4f2	4f3	4f4	4f5	4f6	4f7	4f8	4f9	4f10	4f11	4f12	4f13	4f14
Radio (pm) del ion Ln3+ (6-coordinado)	102	99	98.3	97	95.8	94.7	93.8	92.3	91.2	90.1	89	88	86.8	86.1

Por esto, en la intersección de la 3ªserie con el grupo 4, se reducen los radios, y las energías de ionización aumentan hasta valores cercanos a los del zirconio (Zr); zirconio y hafnio son muy parecidos, fue muy difícil el descubrimiento del hafnio, que pasaba desapercibido en minerales donde estaban conjuntamente ambos por sustituciones isomórficas (Niels Bohr fue el que predijo que el elemento de número atómico 72 debería ser muy similar al zirconio). Estos efectos se pueden ver a lo largo de la serie 4f -conjunto de los elementos lantánidos de cerio a lutecio- y se extienden a lo largo del sexto periodo de la T.P., conectando con los elementos del bloque p. El ejemplo más claro de esta contracción lántanida se detecta en la variación gradual del tamaño de los iones Ln (III), desde La (III) hasta Lu (III). Sin embargo, el perfil de la variación en los radios metálicos no es tan ideal debido a discontinuidades notables encontradas en europio e yterbio. Hay que resaltar que en el conjunto 5f, o elementos actínidos, también tenemos un sistema similar denominado "contracción actínida".

Experimento del gato de Schrödinger



es un experimento imaginario concebido en 1935 por el físico Erwin Schrödinger para exponer una de las consecuencias menos intuitivas de la mecánica cuántica.

 La propuesta:

Schrödinger plantea un sistema formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato, una botella de gas venenoso y un dispositivo que contiene una partícula radiactiva con una probabilidad del 50% de desintegrarse en un tiempo dado, de manera que si la partícula se desintegra, el veneno se libera y el gato muere.
Al terminar el tiempo establecido, hay una probabilidad del 50% de que el dispositivo se haya activado y el gato esté muerto, y la misma probabilidad de que el dispositivo no se haya activado y el gato esté vivo. Según los principios de la mecánica cuántica, la descripción correcta del sistema en ese momento (su función de onda) será el resultado de la superposición de los estados "vivo" y "muerto" (a su vez descritos por su función de onda). Sin embargo, una vez abramos la caja para comprobar el estado del gato, éste estará vivo o muerto.
Ahí radica la paradoja. Mientras que en la descripción clásica del sistema el gato estará vivo o muerto antes de que abramos la caja y comprobemos su estado, en la mecánica cuántica el sistema se encuentra en una superposición de los estados posibles hasta que interviene el observador. El paso de una superposición de estados a un estado definido se produce como consecuencia del proceso de medida, y no puede predecirse el estado final del sistema: sólo la probabilidad de obtener cada resultado. La naturaleza del proceso sigue siendo una incógnita, que ha dado lugar a distintas interpretaciones de carácter especulativo.
La paradoja ha sido objeto de gran controversia tanto científica como filosófica, al punto que Stephen Hawking ha dicho: «cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola», aludiendo al suicidio cuántico, una variante del experimento de Schrödinger.

Erwin Schrödinger



 (Erdberg, Viena, Imperio austrohúngaro, 12 de agosto de 1887 – id., 4 de enero de 1961) fue un físico austríaco, nacionalizado irlandés, que realizó importantes contribuciones en los campos de la mecánica cuántica y la termodinámica. Recibió el Premio Nobel de Física en 1933 por haber desarrollado la ecuación de Schrödinger. Tras mantener una larga correspondencia con Albert Einstein propuso el experimento mental del gato de Schrödinger que mostraba las paradojas e interrogantes a los que abocaba la física cuántica.

Schrödinger nació en Erdberg, una localidad cercana a Viena, en 1887. Era hijo de Rudolf Schrödinger,y Georgine Emilia Brenda. En 1898 entró en el Akademisches Gymnasium, una de las instituciones de enseñanza media más prestigiosas del ámbito germánico. Entre los años 1906 y 1910, Schrödinger estudió en Viena recibiendo clases de Franz Serafin Exner y de Friedrich Hasenöhrl. También realizó trabajos experimentales en colaboración con Friedrich Kohlrausch. En 1911, Schrödinger se convirtió en asistente de Exner.

• 1887 Nace de Rudolf Schrödinger y Georgine Emilia Brenda.
• 1898 Estudios en el Akademisches Gymnasium.
• 1906-1910 Estudios en Viena con Franz Serafin Exner (1849-1926), Fritz Hasenhrl, trabajos experimentales con Kohlrausch.
• 1911 Asistente de Exner.
• 1914 Habilitación (venia legendi).
• 1914-1918 Participación en la I Guerra Mundial (Gorizia, Duino, Sistiana, Prosecco, Viena).
• 1920 Matrimonio con Annemarie Bertel (6 de abril).
• 1920 Ayudante de Max Wien, Jena.
• 1920 Profesor asociado, Stuttgart.
• 1921 Profesor titular, Breslau (hoy Wrocław, Polonia).
• 1922 Universidad de Zürich.
• 1926 Annalen der Physik: "Quantisierung als Eigenwertproblem" (Cuantización como problema de autovalores): ecuación de mecánica ondulatoria de Schrödinger.
• 1927 Sigue a Max Planck a la Universidad de Berlín.
• 1933 Fellow del Magdalen College, Universidad de Oxford.
• 1933 Premio Nobel de Física junto a Paul Adrien Maurice Dirac.
• 1934 Asociado en la Universidad de Princeton.
• 1936 Universidad de Graz, Austria.
• 1938 Después de que la ocupación de Austria por Hitler, tuvo problemas por haber abandonado Alemania en 1933 y por sus preferencias políticas; busca becas e investigaciones a través de Italia y Suiza hasta Oxford - Universidad de Ghent. En el Instituto de Estudios Avanzados en Dublín, es Director de la Escuela de Física Teórica. Más de 50 publicaciones en varias áreas. Intentos hacia una teoría de campo unificada.
• 1944 ¿Qué es la vida? (Concepto de código genético, neguentropía).
• En Dublin hasta su jubilación.
• 1955 Vuelve a Viena (plaza ad personam). En una importante conferencia durante la Conferencia de Energía Mundial se niega a hablar sobre la energía atómica debido a su escepticismo. En su lugar dio una charla sobre filosofía.
• 1961 Fallece en Viena, a los 73 años, de tuberculosis. Le sobrevive su viuda Anny. Enterrado en Alpbach (Austria).

Principio de exclusión de Pauli

fue un principio cuántico enunciado por Wolfgang Ernst Pauli en 1925. Establece que no puede haber dos fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (esto es, en el mismo estado cuántico de partícula individual) en el mismo sistema cuántico ligado. Perdió la categoría de principio, pues deriva de supuestos más generales: de hecho, es una consecuencia del teorema de la estadística del spin.
El principio de exclusión de Pauli sólo se aplica a fermiones, esto es, partículas que forman estados cuánticos antisimétricos y que tienen espín semientero. Son fermiones, por ejemplo, los electrones y los quarks (estos últimos son los que forman los protones y los neutrones). El principio de exclusión de Pauli rige, así pues, muchas de las características distintivas de la materia. En cambio, partículas como el fotón y el (hipotético) gravitón no obedecen a este principio, ya que son bosones, esto es, forman estados cuánticos simétricos y tienen espín entero. Como consecuencia, una multitud de fotones puede estar en un mismo estado cuántico de partícula, como en los láseres.
Es sencillo derivar el principio de Pauli, basándonos en el artículo de partículas idénticas. Los fermiones de la misma especie forman sistemas con estados totalmente antisimétricos, lo que para el caso de dos partículas significa que:

(La permutación de una partícula por otra invierte el signo de la función que describe al sistema). Si las dos partículas ocupan el mismo estado cuántico , el estado del sistema completo es . Entonces,

así que el estado no puede darse. Esto se puede generalizar al caso de más de dos partículas.

Consecuencias

El caso más conocido por su amplia utilización el campo de la química y física átomica es en el sistema cuántico del átomo de Shrödinger siendo los fermiones los electrones. Por ello es la versión más conocida de este lema: "Dos electrones en la corteza de un átomo no pueden tener al mismo tiempo los mismos números cuánticos".
Otro fenómeno físico del que es responsable el principio de Pauli es el ferromagnetismo, en el que el principio de exclusión implica una energía de intercambio que induce al alineamiento paralelo de electrones vecinos (que clásicamente se alinearían antiparalelamente).

Wolfgang Ernst Pauli



Nacido de Wolfgang Joseph Pauli y Berta Camilla Schütz, Pauli, ya desde su nombre había sido destinado al camino de la Física; en efecto, su padre le puso el segundo nombre en honor de Ernst Mach.
Estudió en el Döblinger Gymnasium de Viena, donde se licenció en Física en 1918. Después de tan sólo dos meses publicó su primer artículo sobre la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. En julio de 1921 logró su doctorado en Física, tutelado por Arnold Sommerfeld, en la Universidad Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) de Múnich.
Sommerfeld, su padrino de tesis doctoral, le había sugerido realizar un artículo sobre la relatividad para la Enciclopedia de ciencias matemáticas, una obra alemana. Dos meses después de doctorarse Pauli concluyó el artículo, de 237 páginas, recibiendo elogios de Einstein: publicado como monografía, es todavía hoy una de las referencias básicas sobre el tema.
Fue nombrado profesor de la Universidad de Hamburgo en 1923. Al año siguiente propone un cuarto número cuántico, necesario para poder especificar los estados energéticos del electrón, que puede para ello adoptar los valores numéricos de ½ o -½. La existencia de estos números cuánticos, denominados de spin, fue verificada más tarde, y son representativos de las dos direcciones de giro posibles sobre el eje de rotación de los fermiones.
Pasó un año en la Universidad de Gotinga como asistente de Max Born, y al año siguiente se trasladó al Instituto Niehls Bohr de Física Teórica en Copenhague.
En mayo de 1929 Pauli abandona la Iglesia católica y en diciembre se casa con Käthe Margarethe Dëppner, de quien se divorcia en 1930, tras poco menos de un año de matrimonio.
En 1928 es nombrado profesor de Física Teórica en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, en Suiza. Bajo su dirección, esta institución se convirtió en un importante centro de investigación en los años precedentes a la Segunda Guerra Mundial. Dicta después algunos seminarios en la Universidad de Míchigan en 1931 y en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton en 1935.
En 1931 Pauli propuso la existencia de una partícula eléctricamente neutra y de masa nula, denominada con posterioridad neutrino por Enrico Fermi. En 1934 se casa con Francisca Bertram, junto a quien permanecerá ligado hasta su muerte. La anexión de Austria por Hitler en 1938 lo convierte en ciudadano alemán. En 1940, por la Segunda Guerra Mundial, se trasladó a Estados Unidos para hacerse cargo de la cátedra de Física en Princeton.
En 1945 recibe el Premio Nobel de Física por su descubrimiento del Principio de exclusión, obteniendo la nacionalidad estadounidense en 1946. Finalizado el conflicto mundial, regresa a Zúrich. Allí muere el 15 de diciembre de 1958, a los 58 años de edad.

Ley de Moseley

es una ley empírica que establece una relación sistemática entre la longitud de onda de los rayos X emitidos por distintos átomos con su número atómico. Fue enunciada en 1913 por el físico británico Henry Moseley.
Tuvo una gran importancia histórica, pues hasta ese momento, el número atómico era sólo el lugar que ocupaba un elemento en la tabla periódica. Dicho lugar había sido asociado a cada elemento de modo semi-arbitario por Mendeleiev y no estaba relacionado cuantitativamente hasta entonces con ninguna cantidad física medible.


Ley periódica
Propone el criterio de ordenamiento de los elementos químicos con base en el número atómico y enuncia la ley periódica moderna:
"Cuando los elementos se arreglan en orden de sus números atómicos sus propiedades físicas y químicas muestranperiódicas."

 

Formulación precisa En 1913 - 1914, Moseley realizó una serie de experimentos donde confirmaba el modelo de Bohr para energías de rayos X a partir de la medición de las frecuencias que surgen de las transiciones electrónicas de átomos pesados.
En términos de la frecuencia del rayo X (ν) y en forma más general, se encuentra que los datos experimentales obtenidos por Moseley se ajustan a una gráfica lineal dentro de la precisión experimental, teniendo que

Donde σ y C son constantes que dependen del tipo de serie de espectros.
A la ecuación anterior se le denomina ley de Moseley.

modelo de Bohr:

Moseley considera la energía que debe poseer un fotón al ser emitido en una transición de nivel energético mayor a uno menor. La energía la calcula a partir del modelo atómico de Bohr y tomando en cuenta el apantallamiento sufrido por el electrón (que va a realizar la transición) debido a la carga nuclear.
A modo de ejemplo, para la línea K_α, el hueco que queda en la capa K se llena con un electrón de la capa L(n=2). Pero un electrón de la capa L ve parcialmente apantallado al núcleo por el electrón restante de la capa K, por lo que ve una carga nuclear de sólo Z-1. De tal manera la energía del fotón K_α puede aproximarse como una transición de n=2 hasta n=1 en un átomo con un electrón cuya carga nuclear efectiva es Z-1.

Henry Moseley



 (23 de noviembre de 1887 – 10 de agosto de 1915) fue un físico y químico inglés. Su principal contribución a la ciencia, fue la justificación cuantitativa del concepto de número atómico en la Ley de Moseley, en química avanzada proporcionó un apoyo fundamental al modelo de Bohr definido con detalle por Rutherford/Antonius Van den Broek mencionando que los núcleos atómicos contienen cargas positivas iguales a su número atómico. Por indicación de éste estudió los espectros de rayos X o Roentgen de cincuenta elementos y en 1912 descubrió su ley de los números atómicos, según la cual la raíz cuadrada de la frecuencia de los rayos X producidos cuando un elemento se bombardea con rayos catódicos es proporcional al número atómico del elemento. Como los experimentos de Moseley demostraron que los elementos producían rayos X de longitud de onda tanto más corta cuanto mayor era su peso atómico, pudo construirse una nueva tabla periódica de los noventa y dos elementos, ordenados de acuerdo con la longitud de onda de los rayos X correspondiente a cada uno de ellos. Esta tabla demuestra, a diferencia de la propuesta cuarenta años antes por Mendeléiev, que las propiedades químicas de los elementos son una función periódica de sus números atómicos. Moseley dio con la muerte mientras prestaba sus servicios como oficial de transmisiones en el ejército inglés, durante la campaña de los Dardanelos de la I Guerra Mundial.

James Chadwick



(20 de octubre de 1891 – 24 de julio de 1974) fue un físico inglés laureado con el Premio Nobel

estudió en la Universidad de Cambridge y en la Universidad de Manchester.

En 1913 Chadwick empezó a trabajar en el Physikalisch Technische Reichsanstalt en Charlottenburg (Alemania) a cargo del profesor Hans Geiger. Durante la Primera Guerra Mundial fue internado en el campo de concentración (Zivilgefangenlager) en Ruhleben, cerca de berlín, acusado de espionaje.
En 1932, Chadwick realizó un descubrimiento fundamental en el campo de la ciencia nuclear: descubrió la partícula en el núcleo del átomo que pasaría a llamarse neutrón, partícula que no tiene carga eléctrica. En contraste con el núcleo de helio (partículas alfa) que está cargado positivamente y, por lo tanto, son repelidas por las fuerzas eléctricas del núcleo de los átomos pesados, esta nueva herramienta para la desintegración atómica no necesita sobrepasar ninguna barrera electrónica y es capaz de penetrar y dividir el núcleo de los elementos más pesados. De esta forma, Chadwick allanó el camino hacia la fisión del uranio 235 y hacia la creación de la bomba atómica. Como premio por su descubrimiento se le otorgó la Medalla Hughes de la Royal Society en 1932 y el Premio Nobel de física en 1935. También descubrió el tritio.

fue profesor de física en la (Universidad de Liverpool) desde 1935. Como resultado del memorándum Frisch-Peierls en 1940 sobre la factibilidad de la bomba atómica fue incorporado al Comité MAUD, que investigó la cuestión. Visitó Norteamérica como en la Misión Tizard de 1940 para colaborar con estadounidenses y canadienses en la investigación nuclear. Tras volver a Inglaterra en noviembre de 1940, concluyó que nada sacaría de las investigaciones hasta el final de la guerra. En diciembre de 1940, Franz Simon, encargado de MAUD, afirmó que era posible separar el isótopo del uranio 235. El informe de Simon incluía las estimaciones de costes de una gran planta de enriquecimiento de uranio. Más tarde, James Chadwick escribiría que fue en aquella época cuando "me di cuenta de que la bomba atómica no sólo era posible, también inevitable. Entonces empecé a tomar somníferos. Era el único remedio."
Poco después se unió al Proyecto Manhattan en los Estados Unidos, que desarrolló la bomba atómica lanzada en Hiroshima y Nagasaki.Que fue el 9 de agosto de 1945. Desde 1946, fue asesor de la Comisión de la Energía Atómica de las Naciones Unidas. Era un cientifico importante.

Más tarde descubrió que un científico alemán había identificado al neutrón al mismo tiempo. Sin embargo, Hans Falkenhagen temía publicar sus resultados. Cuando Chadwick supo del descubrimiento de Falkenhagen le ofreció compartir el Premio Nobel. Falkenhagen, sin embargo, lo rechazó.
James Chadwick murio el 24 de julio de 1974.

Eugen Goldstein

(5 de septiembre de 1850 – 25 de diciembre de 1930) fue un físico alemán. Fue un temprano investigador de Rayos X.
Fue profesor de la Universidad de Berlín. Se dedicó a investigar las descargas en los gases enrarecidos. Oponiéndose a Crookes, creyó que los rayos catódicos eran, a semejanza de la luz, de naturaleza ondulatoria.
En 1886 observó por primera vez a los protones desde los rayos catódicos.
Los planteamientos de Goldstein fueron los que le dieron la posibilidad a Thomson para que los recogiera y formulara el modelo atómico de Thomson.
Fue enterrado en el Weißensee Cemetery.

También trabajó como abogado de Inmigración Judía


A mediados del siglo XIX, Julius Plücker investigó la luz emitida en los tubos de descarga y la influencia de campos magnéticos en el resplandor. Más tarde, en 1869, Johann Wilhelm Hittorf estudiado tubos de descarga de rayos de energía que se extiende desde un electrodo negativo, el cátodo. Estos rayos de fluorescencia producida cuando golpean las paredes de vidrio de un tubo, y cuando es interrumpido por un objeto sólido que arrojan una sombra.
En la década de 1870 Goldstein había realizado sus propias investigaciones de los tubos de descarga, y nombró a las emisiones de luz estudiados por otros kathodenstrahlen, o los rayos catódicos. En 1886, descubrió que los tubos de descarga de cátodo perforado también emiten una luz al final del cátodo. Goldstein llegó a la conclusión que, además de los rayos catódicos ya conocida, posteriormente reconocido como electrones que se mueven desde el cátodo con carga negativa hacia el ánodo cargado positivamente, hay otro rayo que viaja en la dirección opuesta. Debido a que estos últimos rayos pasa a través de los agujeros, o canales, en el cátodo, Goldstein llamó kanalstrahlen, o los rayos del canal. Están compuestos de iones positivos, cuya identidad depende de la de gas residual en el interior del tubo. Fue otro de los estudiantes de Helmholtz, Wilhelm Wien, que más tarde llevó a cabo extensos estudios de los rayos del canal, y en el tiempo esta obra se convertiría en parte de la base de la espectrometría de masas.
El rayo de ánodo con la menor relación E / m proviene del gas hidrógeno (H2), y está hecho de iones H +. En otras palabras, este rayo es de protones. Trabajo de Goldstein con los rayos de ánodo de H + fue aparentemente la primera observación de que el protón, aunque estrictamente hablando se podría argumentar que era Wien, que mide la relación E / m del protón y tiene el mérito de su descubrimiento.
Goldstein también se utilizan tubos de descarga para investigar cometas. Un objeto, como una pequeña bola de cristal o de hierro, colocados en el camino de los rayos catódicos produce emisiones secundarias a los lados, hacia el exterior en la quema de una manera que recuerda la cola de un cometa. Véase el trabajo de Hedenus para las fotos e información adicional.fue un buen trabajo pero se le acredita a rutherford el descubrimiento del proton.



Rutherford

 (Brightwater, Nueva Zelanda, 30 de agosto de 1871 – Cambridge, Reino Unido, 19 de octubre de 1937), fue un físico y químico neozelandés. Se dedicó al estudio de las partículas radioactivas y logró clasificarlas en alfa, beta y gamma. Halló que la radiactividad iba acompañada por una desintegración de los elementos, lo que le valió ganar el Premio Nobel de Química en 1908. Se le debe un modelo atómico, con el que probó la existencia del núcleo atómico, en el que se reúne toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo. Consiguió la primera transmutación artificial con la colaboración de su discípulo Frederick Soddy.
Durante la primera parte de su vida se consagró por completo a sus investigaciones, pasó la segunda mitad dedicado a la docencia y dirigiendo los Laboratorios Cavendish de Cambridge, en donde se descubrió el neutrón. Fue maestro de Niels Bohr y Robert Oppenheimer.

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 de Montreal, que aceptó inmediatamente, pues representaba para él la posibilidad de reunirse con su prometida, que seguía viviendo en Nueva Zelanda
Montreal, 1898-1907: radioactividad:

Becquerel descubrió por esa época (1896) que el uranio emitía una radiación desconocida, la "radiación uránica". Rutherford publicó en 1899 un documento esencial, en el que estudiaba el modo que podían tener esas radiaciones de ionizar el aire, situando al uranio entre dos placas cargadas y midiendo la corriente que pasaba. Estudió así el poder de penetración de las radiaciones, cubriendo sus muestras de uranio con hojas metálicas de distintos espesores. Se dio cuenta de que la ionización empezaba disminuyendo rápidamente conforme aumentaba el espesor de las hojas, pero que por encima de un determinado espesor disminuía más débilmente. Por ello dedujo que el uranio emitía dos radiaciones diferentes, puesto que tenían poder de penetración distinto. Llamó a la radiación menos penetrante radiación alfa, y a la más penetrante (y que producía necesariamente una menor ionización puesto que atravesaba el aire) radiación beta.
En 1900, Rutherford se casa con Mary Newton. De este matrimonio nació en 1901 su única hija, Eileen.
Por esa época, Rutherford estudia el torio y se da cuenta, al utilizar el mismo dispositivo que para el uranio, de que abrir una puerta en el laboratorio perturba notablemente el experimento, como si los movimientos del aire pudieran alterar el experimento. Pronto llegará a la conclusión de que el torio desprende una emanación, también radiactiva, puesto que al aspirar el aire que rodea el torio, se da cuenta de que ese aire transmite la corriente fácilmente, incluso a gran distancia del torio.
También nota que las emanaciones de torio sólo permanecen radiactivas unos diez minutos y que son partículas neutras. Su radiactividad no se ve alterada por ninguna reacción química, ni por cambios en las condiciones (temperatura, campo eléctrico). Se da cuenta asimismo de que la radiactividad de esas partículas decrece exponencialmente, puesto que la corriente que pasa entre los electrodos también lo hace, y descubre así el periodo de los elementos radiactivos en 1900. Con la ayuda de un químico de Montreal, Frederick Soddy, llega en 1902 a la conclusión de que las emanaciones de torio son efectivamente átomos radiactivos, pero sin ser torio, y que la radioactividad viene acompañada de una desintegración de los elementos.
Este descubrimiento provocó un gran revuelo entre los químicos, muy convencidos del principio de indestructibilidad de la materia. Una gran parte de la ciencia de la época se basaba en este concepto. Por ello, este descubrimiento representa una auténtica revolución. Sin embargo, la calidad de los trabajos de Rutherford no dejaban margen a la duda. El mismísimo Pierre Curie tardó dos años en admitir esta idea, a pesar de que ya había constatado con Marie Curie que la radioactividad ocasionaba una pérdida de masa en las muestras. Pierre Curie opinaba que perdían peso sin cambiar de naturaleza.
Las investigaciones de Rutherford tuvieron el reconocimiento en 1903 de la Royal Society, que le otorgó la Medalla Rumford en 1904. Resumió el resultado de sus investigaciones en un libro titulado "Radioactividad" en 1904, en el que explicaba que la radioactividad no estaba influida por las condiciones externas de presión y temperatura, ni por las reacciones químicas, pero que comportaba una emisión de calor superior al de una reacción química. Explicaba también que se producían nuevos elementos con características químicas distintas, mientras desaparecían los elementos radiactivos.
Junto a Frederick Soddy, calculó que la emisión de energía térmica debido a la desintegración nuclear era entre 20.000 y 100.000 veces superior al producido por una reacción química. Lanzó también la hipótesis de que tal energía podría explicar la energía desprendida por el sol. Él y Rutt opinan que si la tierra conserva una temperatura constante (en lo que concierne a su núcleo), se debe sin duda a las reacciones de desintegración que se producen en su seno. Esta idea de una gran energía potencial almacenada en los átomos encontrará un año después un principio de confirmación cuando Albert Einstein descubra la equivalencia entre masa y energía. Tras estos trabajos, Otto Hahn, el descubridor de la fisión nuclear junto con Lise Meitner, acudirá a estudiar con Rutherford en McGill durante unos meses.
A través numerosos estudios con elementos radiactivos observa que estos emiten dos tipos de radiación. El primer tipo de radiación al que denomina rayos alfa es altamente energético pero tiene poco alcance y es absorbida por el medio con rapidez. El segundo tipo de radiación es altamente penetrante y de mucho mayor alcance, lo denomina rayos beta. Mediante el uso de campos eléctricos y magnéticos analiza estos rayos y deduce su velocidad el signo de su carga y la relación entre carga y masa. También encuentra un tercer tipo de radiación muy energético al que denominará rayos gamma.

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 alfa emitidas 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 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 mica con 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.
En 1914 empieza la Primera Guerra Mundial, y Rutherford se concentra en los métodos acústicos de detección de submarinos. Tras la guerra, ya en 1919, 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.

Cambridge, 1919-1937: la edad de oro en Cavendish:

Ese mismo año sucede a J.J. Thomson en el laboratorio Cavendish, pasando a ser el director. Es el principio de una edad de oro para el laboratorio y también para Rutherford. A partir de esa época, su influencia en la investigación en el campo de la física nuclear es enorme. Por ejemplo, en una conferencia que pronuncia ante la Royal Society, ya alude a la existencia del neutrón y de los isótopos del hidrógeno y del helio. Y éstos se descubrirán en el laboratorio Cavendish, bajo su dirección. James Chadwick, descubridor del neutrón, Niels Bohr, que demostró que el modelo planetario de Rutherford no era inestable, y Robert Oppenheimer, al que se considera el padre de la bomba atómica, están entre los que estudiaron en el laboratorio en los tiempos de Rutherford. Moseley, que fue alumno de Rutherford, demostró, utilizando la desviación de los rayos X, que los átomos contaban con tantos electrones como cargas positivas había en el núcleo, y que de ello resultaba que sus resultados "confirmaban con fuerza las intuiciones de Bohr y Rutherford".
El gran número de clases que dio en el laboratorio Cavendish, la gran cantidad de contactos que tuvo con sus estudiantes dio una imagen de Rutherford como una persona muy pegada a los hechos, más aún que a la teoría, que para él sólo era parte de una "opinión". Este apego a los hechos experimentales, era el indicio de un gran rigor y de una gran honestidad. Cuando Enrico Fermi consiguió desintegrar diversos elementos con la ayuda de neutrones, le escribió para felicitarle de haber conseguido "escapar de la física teórica".
Sin embargo, por fortuna, Rutherford no se detenía en los hechos, y su gran imaginación le dejaba entrever más allá, las consecuencias teóricas más lejanas, pero no podía aceptar que se complicaran las cosas inútilmente. Con frecuencia hacía observaciones en este sentido a los visitantes del laboratorio que venían a exponer sus trabajos a los estudiantes y a los investigadores, cualquiera que fuera la fama del visitante. Su apego a la simplicidad era casi proverbial. Como él mismo decía: "Yo mismo soy un hombre sencillo".
Su autoridad en el laboratorio Cavendish no se basaba en el temor que pudiera inspirar. Por el contrario, Rutherford tenía un carácter jovial. Se sabía que estaba avanzando en sus trabajos cuando se le oía canturrear en el laboratorio. Sus alumnos lo respetaban mucho, no tanto por sus pasados trabajos o por el mito que le rodeaba como por su atractiva personalidad, su generosidad y su autoridad intelectual. Su discípulo ruso Peter Kapitza le apodó "el cocodrilo" y así era conocido entre sus colegas. No porque fuera temible o peligroso, sino porque para un soviético tan lejano de los ríos africanos, el concepto de cocodrilo representaba una tremenda fuerza. Aunque nadie le llamabe así de frente, Rutherford lo sabía bien y se enorgullecía en secreto. Es más, el edificio construido para los estudios de Kapitza, tenía un gran bajorrelieve de un cocodriloTambién esta es para Rutherford la época de los honores: fue presidente de la Royal Society entre 1925 y 1930, y chairman de la Academic Assistance Council, que en esos políticamente turbulentos tiempos, ayudaba a los universitarios alemanes que huían de su país. También se le concedió la Medalla Franklin en 1924 y de la Medalla Faraday en 1936. Realizó su último viaje a Nueva Zelanda, su país de nacimiento, que nunca olvidó, en 1925 y fue recibido como un héroe. Alcanzó la nobleza en 1931 y obtuvo el título de Barón Rutherford de Nelson, de Cambridge. Pero ese mismo año murió su única hija, Eileen, nueve días después de haber dado a luz a su cuarto hijo.
Rutherford era un hombre muy robusto y entró en el hospital en 1937 para una operación menor, tras haberse herido podando unos árboles de su propiedad. A su regreso a su casa, parecía recuperarse sin problemas, pero su estado se agravó repentinamente. Murió el 19 de octubre y se le enterró en la abadía de Westminster, junto a Isaac Newton y Kelvin.
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.
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 inhumados en la abadía de Westminster.