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William Draper Harkins (28 de diciembre de 1873 – 7 de marzo de 1951) fue un químico norteamericano, conocido especialmente por sus contribuciones a la química nuclear.
Harkins investigó la estructura del núcleo atómico y fue el primero en proponer el principio de la fusión nuclear, cuatro años antes de que Jean Baptiste Perrin publicara su teoría en 1919-20. Sus hallazgos permitieron, entre otras cosas, el desarrollo de la bomba H.
Infancia y educación
Harkins era hijo de Nelson Goodrich Harkins, un pionero en los campos de petróleo de Pennsylvania, y Sarah Eliza Draper. En 1900 se graduó de la Universidad de Stanford con una licenciatura en química e inmediatamente aceptó un puesto de profesor en la Universidad de Montana, donde se convirtió en profesor y presidente del departamento de química.
Mientras estuvo asociado con Montana, Harkins realizó trabajos de postgrado en la Universidad de Chicago (1901-1904) y en la Universidad de Stanford (1905-1906). Recibió su doctorado de Stanford en 1907 e hizo estudios de postdoctorado en la Universidad Técnica de Karlsruhe (1909) y en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (1909-1910). En 1912 Harkins aceptó un puesto de profesor asistente en la Universidad de Chicago. Allí permaneció el resto de su vida, convirtiéndose en profesor asociado en 1914, profesor en 1917, y en el Andrew McLeish Distinguished Service Professor en 1935.
Entre sus muchas actividades, Harkins actuó como consultor de varias empresas privadas, el Servicio de Guerra Química, y la Comisión Nacional de Investigación de Defensa. A partir de 1932 fue miembro de la Comisión Internacional de Átomos. También fue vicepresidente de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia y fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias. El 9 de junio de 1905 Harkins se casó con Anna Louise Hatheway, la jefa del departamento de inglés de Montana. Tuvieron dos hijos, Henry Nelson, que se convirtió en cirujano, y Alice Marion, que alcanzó el reconocimiento como cantante.
Primeras publicaciones de Harkins
Durante su estancia en Montana, Harkins publicó tres artículos sobre la contaminación por arsénico en el humo de la fundición, en los que demostraba que una pila de fundición arrojaba treinta toneladas diarias de trióxido de arsénico (y al menos la misma cantidad de cobre) en las veinte millas de pastos que la rodeaban.
Al llevar el nivel de arsénico a 200-500 partes por millón en los pastos de otoño, esta contaminación mató a muchos cientos de ovejas, caballos y ganado. Dado que los estudios detallados y completos de Harkins (apoyados por la Asociación de Agricultores de Anaconda) no dejaban ningún resquicio posible para la disputa, se le reconoció como experto en contaminación de fundiciones y se convirtió en consultor de la Compañía de Cobre de Montaña de California, el Departamento de Justicia de los Estados Unidos y la Institución Carnegie.
Inicios en la investigación nuclear
En Chicago, William Draper Harkins comenzó a trabajar en la estructura y las reacciones de los núcleos atómicos. Los principales investigadores de esta nueva ciencia en desarrollo (Ernest Rutherford, Francis William Aston, Frederick Soddy, Patrick Maynard Stuart Blackett) se encontraban en su mayoría en Inglaterra y, a excepción de T. W. Richards en Harvard, había habido poca participación estadounidense. En 1915 Harkins y E. D. Wilson publicaron cinco importantes trabajos sobre los procesos de construcción de complejos núcleos atómicos a partir de protones, deuterio, núcleos de tritio y partículas α.
En ese momento las únicas reacciones nucleares que se habían estudiado eran las reacciones de descomposición de los núcleos radiactivos, para las cuales la ecuación de Einstein que relacionaba la masa y la energía predecía las energías observadas. Con la ecuación de Einstein, Harkins mostró la enorme energía producida en la fusión nuclear del hidrógeno para producir helio, con la consiguiente 77 por ciento de pérdida de masa; también identificó esta reacción como la fuente de energía estelar.
Efecto de empaquetamiento
Harkins calificó la disminución de masa en la síntesis nuclear como «efecto de empaquetamiento», y mostró que era menor en los núcleos complejos de número atómico par (considerados como producidos por condensación de partículas α) que en los núcleos complejos de número atómico impar (considerados como producidos por condensación de un núcleo de tritio o litio con partículas α).
Esta observación llevó a Harkins a proponer que los elementos de número par son más estables y demostró que son más abundantes en las estrellas, en los meteoritos y en la Tierra. En 1919 las conclusiones de Harkins fueron confirmadas por Rutherford, quien bombardeó varios átomos con partículas α y encontró que, de los elementos así bombardeados, sólo los de número impar perdieron un protón.
La teoría de Harkins
La teoría de William Draper Harkins y E. D. Wilson sobre la construcción de átomos (1915) predijo pesos atómicos cercanos a unidades basadas en 16.000 para el oxígeno; las desviaciones para el litio, el cloro y muchos otros elementos se consideraron evidencia de isótopos aún no observados. La separación de isótopos de cloro por difusión se intentó en 1916, pero se obtuvo un mayor éxito con el ácido clorhídrico en 1919 cuando se procesaron 10.000 litros.
En febrero de 1920, en Cambridge, Aston anunció pruebas de la espectroscopia de masas para los isótopos de cloro de masa 35 y 37, mientras que en abril de 1920 Harkins publicó un informe preliminar sobre sus pruebas para los isótopos de cloro de 35, 37 y 39. Aston confirmó posteriormente la predicción del cloro 39. En 1921 Harkins demostró que con el proceso de difusión podía obtener diferencias de masa para el ácido clorhídrico de una parte en 645. Estudios posteriores con difusión de mercurio demostraron diferencias de masa de 180 partes por millón.
Mejorando las mediciones en el átomo
Rutherford llevó a cabo sus estudios de 1919 (las primeras síntesis nucleares) en un espintariscopio, que sólo podía medir el rango de las partículas nucleares. Harkins se dio cuenta de que la cámara de nubes de C.T.R. Wilson podía permitir la determinación exacta de la energía y la masa de las reacciones nucleares y analizó rápidamente decenas de miles de huellas de partículas α en nitrógeno y argón por este método; encontró (1923) que ninguna colisión daba lugar a reacciones. En Cambridge, Blackett usó un equipo idéntico y en 1925 encontró huellas para probar que el nitrógeno capturaba una partícula α y emitía un protón, sintetizando así el oxígeno-17; Harkins confirmó esto al año siguiente.
Unos meses antes de la predicción de Rutherford, Harkins en 1920 predijo la existencia del neutrón. Pero no fue hasta 1932 que el neutrón fue realmente observado, por James Chadwick en Cambridge.
Inmediatamente después del descubrimiento de Chadwick, Harkins, con David Gans y otros colaboradores, comenzó a investigar las reacciones nucleares que involucraban estas partículas. Chadwick y Rutherford sostuvieron que las reacciones nucleares iniciadas por bombardeo podían ocurrir sin la captura de la partícula que bombardeaba, pero Harkins mostró pruebas (pérdidas de energía medidas) de que al formar un núcleo excitado siempre se produce la captura; para 1936 la opinión de Harkins fue aceptada.
Trabajos de Harkins sobre fenómenos de superficie
Los ochenta trabajos de Harkins sobre reacciones e isótopos nucleares incluyen varias contribuciones importantes a la teoría y al experimento y durante algunos años fueron las únicas contribuciones estadounidenses significativas en este campo. La gran mayoría de sus estudios, sin embargo, se refieren a los fenómenos de la superficie.
El primer día de Harkins en Karlsruhe en 1909 Fritz Haber lo saludó con el brindis, «Trabajará en la tensión superficial». Aunque Harkins no estaba interesado en este tema, pronto se intrigó cuando descubrió que las técnicas de medición actuales eran muy inexactas. Siguiendo el ejemplo de Richards -cuya precisión en los pesos atómicos le valió el Premio Nobel en 1914- Harkins se esforzó por hacer de las mediciones de superficie una ciencia precisa.
Junto con F. E. Brown en 1916-1919 Harkins aportó alta precisión al método de peso de caída para la medición de la tensión superficial e interfacial, un procedimiento de laboratorio más fácil que el método de medición de la altura capilar perfeccionado por Richards. Once años más tarde Harkins y Hubert Fairlee Jordan lograron una precisión similar con el método del anillo. Las publicaciones de Harkins siguen siendo las principales referencias sobre los métodos de medición del peso de la gota y del anillo.
Medición de la tensión superficial
Las mediciones precisas de las tensiones superficiales e interfaciales permitieron nuevas interpretaciones y comprensiones. Entre 1910 y 1920, cuando los cambios de los electrones en los compuestos orgánicos habían ganado la atención de los químicos físicos, Harkins exploró la relación de la estructura de las moléculas orgánicas con sus propiedades superficiales.
Poco tiempo después de la publicación del histórico artículo de Langmuir sobre la adsorción de gas, William Draper Harkins publicó dos extensos artículos (1917) sobre tensiones superficiales y tensiones interfaciales medidas con precisión, frente a las del agua, para 338 compuestos orgánicos diferentes, en los que citó la evidencia de películas monomoleculares orientadas en superficies e interfaces. La publicación de Langmuir, un mes después, sobre películas monomoleculares orientadas de moléculas orgánicas polares insolubles en el agua, llevó a la competencia entre los dos científicos. En 1920 Harkins’ formalizó sus puntos de vista sobre monocapas orientadas en interfaces con los conceptos de «trabajo de adhesión», «trabajo de cohesión» y «coeficiente de dispersión». Estos conceptos son ampliamente utilizados para correlacionar la propagación de materiales orgánicos sobre el agua o el mercurio.
Películas monomoleculares
La serie de publicaciones de Harkins sobre películas monomoleculares en superficies líquidas o interfaces se extendió durante un período de veinte años. A partir de 1925 hizo estudios precisos de la adsorción de películas solubles y de las propiedades de las películas insolubles. Investigó las monocapas de dos componentes y los tipos de moléculas orgánicas, incluyendo las enzimas y los polímeros. Además, aplicó sus investigaciones sobre monocapas adsorbidas en la interfaz aceite-agua y en la interfaz líquido-sólido para comprender mejor las emulsiones y las dispersiones de pigmentos.
Alrededor de 1937 Harkins inició un gran esfuerzo en el estudio de la adsorción de gas en polvos sólidos. Estos estudios condujeron a una serie de trabajos, de 1942 a 1950, que siguen siendo básicos para nuestra actual comprensión de este tema. Junto con George Edward Boyd, George Jura y otros, hizo un importante y novedoso uso de las mediciones calorimétricas con polvos finamente divididos. Desarrollaron el único método absoluto para medir las superficies de los polvos, basado en los calores de inmersión en un líquido de polvos ya equilibrados con el vapor saturado del mismo líquido. Este método permitió la calibración de métodos relativos como el conocido método Brunauer-Emmett-Teller (BET).
La calorimetría también se utilizó para medir el rango de fuerzas que emanan de las superficies sólidas. Las investigaciones de Harkins sobre el cambio total de energía libre por unidad de área de las superficies sólidas durante la adsorción de gas hasta las presiones de vapor de equilibrio (designadas «presión de difusión de equilibrio») forman la base de gran parte de nuestros conocimientos sobre la adsorción en los óxidos.
Servicio en la segunda guerra mundial
Aunque William Draper Harkins tenía sesenta y ocho años cuando los Estados Unidos entraron en la Segunda Guerra Mundial, en lugar de retirarse, se sumergió en un nuevo campo de la química de coloides, la polimerización de la emulsión del caucho. Junto con M. L. Corrin y H. B. Klevens desarrolló nuevos métodos para medir la formación de micelas en soluciones de detergentes y luego relacionó cuantitativamente el efecto de la estructura, las sales, los hidrocarburos y los surfactantes insolubles con la formación de micelas. Harkins correlacionó estos criterios con las condiciones que se consideraron óptimas para la polimerización de la emulsión y así proporcionó los fundamentos para comprender este importante proceso.
A lo largo de su carrera, Harkins mostró una excepcional previsión al elegir importantes campos de investigación. Su intuición en la predicción de fenómenos, junto con un fuerte impulso para medir propiedades importantes con gran precisión, proporcionó un legado que incluye preceptos básicos de las reacciones nucleares, una perspectiva general de la química de superficie, métodos de laboratorio para estudios de superficie, y una gran cantidad de mediciones inigualables de las propiedades de la superficie.
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