Resumé

Ernest Rutherford, First Baron of Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30. august 1871 Spring Grove, New Zealand - 19. oktober 1937 Cambridge, England, Det Forenede Kongerige) var en britisk fysiker født i New Zealand.

Rutherford fik mulighed for uddannelse fra barnsben og udnyttede den til at få succes med sine studier. Han forskede selv, mens han stadig var studerende, og blev optaget i sin første forskergruppe som postgraduate studerende på universitetet i Cambridge i England. Dette var begyndelsen på fysikerens forskning i radioaktivitet. Disse fortsatte gennem hele hans liv på forskellige universiteter rundt om i verden og førte til store resultater.

Blandt de store opdagelser inden for fysikken er han kendt for opdagelsen af atomkernen i et eksperiment, der nu er kendt som Rutherford-eksperimentet. Han studerede radioaktivitet og var den første, der introducerede begreberne alfa-, beta- og gammastråling. Rutherford var den første til at opdage, at halvdelen af radioaktivt materiale henfalder på en konstant tid (halveringstid). Rutherford opdagede også protonen og opstillede hypoteser om eksistensen af uladede partikler, neutroner, i atomet. Rutherford fik Nobelprisen i kemi i 1908 for sin forskning i kemien af radioaktive grundstoffer.

Ernest blev født i Spring Grove, New Zealand, den 30. august 1871. Ernests far, James Rutherford, og mor, Martha Thompson, var begge emigreret med deres forældre til New Zealand i midten af det 19. århundrede, far James fra Skotland i en alder af 4 år og mor Martha fra England i en alder af 13 år. Ernest blev født ind i en middelklassefamilie. Ifølge forskellige kilder arbejdede hans far som landmand og hørmøller i sin levetid og drev sit eget savværk, hvor den unge Ernest også arbejdede flittigt. Ernest var omgivet af hårdtarbejdende mennesker med gode tekniske færdigheder. Hans far reparerede og vedligeholdt også maskiner og dele til forskellige møllerier. Hans mor var lærerinde og lærte alle sine børn at læse og skrive. Der blev født 12 børn i familien Rutherford, fem piger og syv drenge. Ernest var det fjerde barn og den næstældste søn. Tre af Ernests brødre døde som spæd, en ved fødslen, og to blev desværre druknet på en familieudflugt. Dette førte til, at Ernests mor fik en depression, som hun aldrig kom sig over i løbet af sit liv.

Rutherford-børnene fik alle en god uddannelse, fordi deres forældre satte pris på uddannelse. Forældrenes værdsættelse skyldtes, at far James aldrig fik mulighed for det, mens mor Martha fik det. Hans mor mente, at "al viden er magt". Ernest tilbragte sine skoleår i landskolerne på det sted, hvor han boede, indtil 1886 (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Han fik sin første naturvidenskabsbog fra skolen som 10-årig. Samme år byggede Rutherford sin egen miniaturekanon, som heldigvis eksploderede uden at forårsage nogen skade.

År af studier

I 1887 fik den 15-årige Ernest i sit andet forsøg et stipendium fra Marlborough Board of Education til Nelson College, en privat gymnasieskole. Han flyttede hjemmefra og studerede med succes i alle fag, især matematik og naturvidenskab. Mens han studerede, var han en ivrig rugbyspiller. Efter at have forladt skolen i 1890 lykkedes det Ernest, igen i andet forsøg, at få et stipendium til Canterbury College i Christchurch, et af fire newzealandske universiteter. På Canterbury var Rutherford så heldig at blive undervist af strålende professorer, som virkelig fik ham til at interessere sig for videnskabelig forskning. I løbet af sin treårige uddannelse studerede han latin, fransk og matematik. I 1892 blev han færdiguddannet (Bachelor of Arts) i matematik, anvendt matematik, latin, engelsk, fransk og fysik. Takket være sine fremragende karakterer fik han et stipendium til et års postgraduate studier ("Honours"-år). I løbet af dette ekstra år afsluttede Rutherford en bachelor i geologi og kemi. Han studerede også yderligere matematik og fysik, samtidig med at han udførte selvstændig forskning, hovedsagelig med fokus på teorien om elektricitet og magnetisme. Hans vigtigste forskning på dette tidspunkt var højfrekvent magnetisk induktion og magnetisk viskositet i jern og stål, som han også offentliggjorde sine første artikler om. I løbet af sin forskning udviklede han også nogle nye fysiske apparater, herunder en detektor for hurtige strømimpulser. Det var omkring dette tidspunkt, at han mødte og forelskede sig i Mary Newton, datter af ejeren af den lejlighed, hvor han studerede.

Som postgraduate studerende på universitetet

Efter universitetet var Rutherfords ambition at blive forsker på Cavendish Laboratory på Cambridge University i England. Hans ønske blev heldigvis opfyldt, da James Maclaurin, en af de andre ansøgere, afviste stillingen, fordi han ikke var enig i betingelserne for stipendiet. Rutherford forlod derfor New Zealand til England og blev den første postgraduate kandidat uden for Cambridge (1895-98). Rutherford begyndte således sit forskningsarbejde i professor J.J. Thompsons forskningsgruppe på Cavendish Laboratory, University of Cambridge. Som ambitiøs kandidatstuderende var han den første, der med succes sendte og modtog elektromagnetiske bølger. I sin forskning lykkedes det ham at transmittere elektromagnetiske bølger over en afstand på en halv mil, hvilket var verdensrekord på det tidspunkt. Ud over at vise, at en svingende udladning magnetiserede jern, opdagede Rutherford også, at en magnetiseret nål mistede sin magnetisme i et magnetfelt, der blev frembragt af en vekselstrøm. Dette gjorde nålen til en detektor for elektromagnetisk stråling, hvilket den tyske fysiker Heinrich Hertz også havde opdaget på samme tid i sit laboratorium. Rutherfords resultater var mere enkle og havde større kommercielt potentiale. Da Rutherford hørte om tyskeren Wilhelm Røntgens opdagelse af røntgenstråler, gik han på J.J. Thompsons anmodning gerne videre for at undersøge røntgenstrålernes virkning på elektricitetsledning i gasser. Thompsons og Rutherfords undersøgelser førte til observation af ionisering, dvs. atomers og molekylers opsplitning i positive og negative dele (ioner) og disse ladede partiklers tiltrækning til modsatte elektroder. Rutherfords forskning fokuserede også på ionproducerende stråling, ultraviolet stråling og stråling fra uran. Rutherford opdagede, at den stråling, der udsendes af uran, var langt mere kompleks end hidtil antaget. Han begyndte snart at forstå begrebet radioaktivitet, som blev hans hovedinteresse og dermed hans livsværk. I 1898 opdagede han, at radioaktive atomer, i hans forskning uranatomer, udsender to typer stråling. Han kaldte dem alfa (α) og beta (β) stråling. Meget snart viste betastråling sig at være hurtige elektroner. I flere år herefter fokuserede forskerne deres opmærksomhed på at studere alfa- og betastråling. Ud over sit forskningsarbejde kunne han og J.J. Thompson deltage i møder i Royal Society og British Association. Dette gav ham mulighed for at dele sine forskningsresultater og demonstrere sit talent, og han satte et varigt præg på universitetet i Cambridge.

Forskning og resultater på universiteterne

McGill University, Montreal, Canada (1898-1907)

University of Manchester, England (1907-19)

University of Cambridge, Cavendish Laboratory, England (1919-1937)

I 1898 fik Rutherford et professorat på McGill University i Montreal, Canada (1898-1907), som havde veludstyrede laboratorier, og Rutherford flyttede derfor over havet. Han rekrutterede en ung kemiker, Frederick Soddy, til at bistå ham i sin forskning, og en kandidatstuderende, Harriet Brooks, som hans assistent. Med deres hjælp påviste han mysteriet om radioaktivt henfald: atomer af visse grundstoffer henfalder spontant til atomer af lettere grundstoffer. Dette var et af hans karrieres gennembrud. Efter at have opdaget, at det endelige henfaldsprodukt af uran er bly, indså Rutherford, at man ved at måle de relative andele af uran og bly i mineraler og uranatomernes henfaldshastighed kunne bestemme mineralernes alder. Radioaktiv datering af jordprøver er stadig en vigtig del af den geologiske forskning i dag. Som følge af undersøgelser af tunge grundstoffers henfald blev begrebet halveringstid udviklet, dvs. den tid, det tager for halvdelen af atomkernerne i et radioaktivt stof at henfalde til andre atomkerner.

Mellem 1902 og 1903 udviklede Rutherford og Soddy teorien om henfald som en forklaring på radioaktivitet, hvilket anses for Rutherfords største bedrift på McGill University. I alkymi- og overgangselementteorien blev atomerne anset for at være stabile, men Rutherford og Soddy hævdede, at den radioaktive energi kom indefra atomet, og at den spontane udsendelse af alfa- og betapartikler markerede den kemiske omdannelse af atomer fra et element til et andet. Det overvældende bevismateriale fra eksperimentelle undersøgelser fik tvivlerne til at gå i baglås. Rutherford mente, at alfapartiklen var den vigtigste bidragyder til denne kemiske forandring på grund af alfapartiklens konkrete masse. Han identificerede en positiv ladning på alfapartiklen, men kunne endnu ikke afgøre, om det var en brint- eller heliumion.

I løbet af sin tid på McGill University tog Rutherford flere og flere forskningsstuderende til sig, herunder kvinder, som der dengang var få af på universitetet. Hun var en efterspurgt taler og journalist. Han blev valgt til Fellow af Royal Society of Canada i 1900 og af Royal Society of London i 1903. Han skrev også de vigtigste lærebøger om radioaktivitet i denne periode. Hans første bog Radioactivity blev udgivet i 1904. Han blev tildelt legater, medaljer og mange jobtilbud. Senere, i 1908, fik han Nobelprisen i kemi for sin forskning i nedbrydning af grundstoffer og sine kemiske resultater om radioaktive stoffer. En forvirret Rutherford fortalte ofte til venner, at den hurtigste forandring, han kendte til, var hans overgang fra fysiker til kemiker.

I 1900 vendte Rutherford kortvarigt tilbage til New Zealand for at gifte sig med sin elskede Mary Newton. Deres eneste barn Eileen blev født i 1901. Parret besøgte New Zealand i 1905 for at genoptage forbindelserne med deres familier.

Rutherford ville aldrig stå stille længe, og han havde ofte nye alternative muligheder i tankerne. Nordamerika havde et godt videnskabeligt samfund, men centrum for terrestrisk fysik lå i Europa. England tiltrak ham igen. England var tættere på de vigtigste videnskabscentre og havde både flere og bedre kandidater. Da Rutherford i 1907 blev tilbudt stillingen som leder af universitetet i Manchester, accepterede han den.

På University of Manchester fokuserede Rutherford sin forskning på alfa-, beta- og gammastråling, og hvordan disse typer stråling kunne give ny indsigt i atomernes natur. Han overlod radiokemien til andre forskere og vendte tilbage til fysikken. Det lykkedes Rutherford at bevise i sine fysiske undersøgelser, hvad han længe havde haft mistanke om. Alfapartiklen var et heliumatom uden dets elektroner. Han ønskede imidlertid bedre beviser til støtte for sine resultater og gennemførte flere nye eksperimenter med sit forskerhold. Sammen med Hans Geiger udviklede Rutherford en elektrisk detektor, "elektrometeret", til at detektere ioniserede partikler. Med dette instrument var han i stand til at bestemme eksperimentelt vigtige fysiske konstanter, herunder Avogadro-konstanten. Senere færdiggjorde Geiger sammen med Walther Mϋller et instrument til måling af radioaktivitet, Geiger-(Mϋller)-røret, som stadig er et universelt instrument til måling af radioaktivitet i dag. Under Geigers vejledning gav Rutherford sin unge elev Ernest Madsen til opgave at måle det relative antal alfapartikler i forhold til spredningsvinklen og at bestemme, om alfastråling ville blive reflekteret tilbage fra metallerne (nu kendt som Rutherford-forsøget). Madsen fandt, at en del af alfastrålingen blev reflekteret tilbage fra metallerne og endda direkte tilbage fra den tynde guldfilm. Dette resultat overraskede selv Rutherford en smule. Ud fra disse resultater konkluderede han i 1911, at næsten al et atoms masse er koncentreret i dets lille kerne, som er 1000 gange mindre end selve atomet, og at det meste af atomet derfor ville være tomt rum. Atomets kerne var blevet opdaget. Denne anden store opdagelse af Rutherford gav ham varig berømmelse. I 1912 besøgte den danske fysiker Niels Bohr Rutherfords laboratorium og påviste et år senere betydningen af Rutherfords opdagelser. Bohr beviste, at radioaktivitet stammer fra atomets kerne og kemiske egenskaber fra elektronerne i kredsløb om atomkernen. Han brugte Rutherfords kvanteidé til at skabe en orbitalmodel for elektronerne i atomet. Dermed blev der skabt en ny atommodel. Rutherfords og Bohrs atommodeller findes stadig i nutidens lærebøger i kemi og fysik. Desuden anvendes Rutherford-spredning stadig som hjælp til mikroelektroniske apparater, der anvendes til at detektere kernepartikler og atomare orbitaler.

I året for udbruddet af Første Verdenskrig (1914-1918) blev Rutherford slået til ridder. Under krigen forskede han for regeringen og udviklede akustiske metoder til at opdage ubåde. Disse oplysninger blev derefter delt med amerikanerne. Samtidig forsøgte han forgæves at overbevise unge videnskabsmænd om, at det ville være bedre at bruge dem til at udvikle og forske i krigens udfordringer end at få deres liv og videnskabelige talent ødelagt i skyttegravene. Mod slutningen af krigen i 1917 vendte Rutherford tilbage til atompraksis. Under bombardement af lysatomer med alfastråling bemærkede Rutherford, at de resulterende udskudte partikler havde en højere energi end alfastrålingen og gættede på, at partiklerne var brintkerner (protoner H+). Ud fra denne observation konkluderede han, at bombardementet også havde omdannet nitrogenatomer til oxygenatomer. Det var altså lykkedes ham at bruge alfapartikler (He2+) til at omdanne et grundstof til et andet grundstof i en kernereaktion. Rutherford blev således verdens første succesfulde alkymist og den første til at splitte kernen, hvilket gav ham et varigt videnskabeligt ry. Disse resultater blev offentliggjort efter krigen i 1919.

Efter krigen i 1919 vendte han tilbage til sine rødder som universitetsforsker og fik den ære at blive professor i eksperimentel fysik i Cambridge og direktør for Cavendish Laboratory som efterfølger for den berømte Sir J. J. Thomson. Hans tid blev nu også optaget af administrative opgaver, så han havde ikke længere så meget tid til at koncentrere sig om forskning som tidligere.

Rutherford inviterede James Chadwick, en kandidatstuderende fra Manchester, til at slutte sig til ham i Cavendish for at fortsætte deres fælles forskning. I laboratorieforsøg bombarderede de lette atomer med alfastråling, hvilket forårsagede ændringer i deres struktur, men det lykkedes dem ikke at trænge ind i kerner af tungere grundstoffer med alfastråling. De gensidige ladninger mellem alfastrålingen og kernerne i de tungere atomer syntes at frastøde hinanden. Desuden kunne de ikke afgøre, om alfapartiklen blev reflekteret tilbage, eller om den smeltede sammen med kernen for alligevel at blive bombarderet. I slutningen af 1920'erne gjorde fremskridt inden for økoteknologien det muligt at løse disse spørgsmål. I mellemtiden var Rutherford i sit første årti som universitetsprofessor og laboratoriedirektør primært fokuseret på at oprette førsteklasses forskningsgrupper. Han viste sig at være en human og støttende leder, der sørgede for, at de studerende fik æren for den forskning, som han var mentor for. Han kæmpede på universitetet for, at kvinder skulle have de samme rettigheder som mænd.

I 1925 rejste Rutherford for sidste gang til Australien og New Zealand. Under sit seks ugers besøg i New Zealand holdt han flere offentlige foredrag. Uanset hvor han holdt foredrag, fik han en respektfuld modtagelse. Salene var fyldt med mennesker, der ønskede at høre ham tale om atomets struktur. Rutherford erklærede, at han altid havde været stolt af at være newzealænder. Han gav udtryk for sin støtte til uddannelse og forskning og anbefalede, at der blev udført videnskabelig forskning, som kunne gavne landmændene. Som følge af hans støtte blev der i 1926 oprettet et institut for videnskabelig og industriel forskning i New Zealand. Under sit besøg i New Zealand brugte han også tid på at støtte sine syge forældre.

Rutherfords eneste datter Eileen blev gift med Ralph Fowler, en matematisk fysiker ved Cavendish Laboratory. De fik fire børn, som alle var højtuddannede. Rutherford-familien blev ramt af sorg, da Eileen døde af en blodprop i 1930, kun 29 år gammel, ni dage efter fødslen af sit yngste barn og kun to dage før jul 1930. Nytårsdag samme år blev Rutherford udnævnt til baronet, Baron Rutherford of Nelson, men denne ære blev overskygget af sorgen over datterens død.

Efterhånden som teknologien udviklede sig, var 1930'erne den gyldne tid for Rutherfords forskningshold. I 1932 opdagede James Chadwick neutronen og påviste, at kernen består af protoner og neutroner. Rutherford havde forudsagt neutronens eksistens et årti tidligere og vejledte Chadwick i sin forskning ved at fortælle ham, hvilke egenskaber neutronen skulle have. Samme år lykkedes det John Cockcroft og Ernest Walton at splitte lithiumatomet ved at bombardere det med protoner, brintatomets kerner, der blev fremskyndet til meget høje hastigheder af en højspændingsaccelerator. Lithiumatomet blev splittet i to alfapartikler. Parret blev senere tildelt Nobelprisen i fysik i 1951 for deres arbejde.

Efter opfindelsen af skykammeret (af den engelske fysiker Charles Wilson, der fik Nobelprisen i fysik i 1927) fik man visuelle beviser på, hvad der faktisk skete i kollisioner. Den engelske fysiker Patrick Blackett brugte skykammeret til at studere 400 000 alfapartikelkollisioner og fandt ud af, at de fleste af dem var almindelige elastiske kollisioner. Nogle af kollisionerne resulterede dog i henfald. I disse trængte alfastråling ind i målionens kerne, hvorefter kernen blev delt i to. Dette var et meget vigtigt skridt i forståelsen af kernereaktioner, og Blackett fik Nobelprisen i fysik i 1948 for sine resultater. En stor videnskabelig æra var begyndt under Rutherfords ledelse. År tidligere havde Rutherford antaget, at det for at trænge ind i atomkernen ville kræve partikler, der var accelereret med nogle få millioner volt for at matche energien af de partikler, der blev fjernet fra det radioaktive atom. I årevis pressede han derfor sit lands industri til at udvikle højspændingskilder. George Gamow og Norman Feather gjorde imidlertid i deres egen forskning en opdagelse, der viste, at partikler med lavere energi var mere effektive til at trænge ind i atomets kerne. Rutherford bestilte en lavspændings-partikelaccelerator med en meget bedre partikelstrøm. Som følge heraf kunne Gilbert Lewis eksperimentere med tungere brint, deuterium og tritium, og let helium (He-3). Som følge heraf samarbejdede Rutherford, den australske fysiker Mark Oliphant og den tyske kemiker Paul Harteck i 1932 for at opnå den første fusionsreaktion. De bombarderede deuterium (2H) med deuteroner (2H+) for at producere tritium (3H). Rutherford håbede, at kernefission, som effektivt kunne frigøre energi fra uran, først ville blive opdaget, når mennesket kunne leve i harmoni med sine naboer. Dette blev imidlertid kun opnået få år efter hans død.

Epilog

Rutherford havde nogle få interesser ud over videnskab, især golf og bilisme. Han var liberal, men ikke politisk aktiv, selv om han var medlem af det rådgivende råd for Government Institute for Scientific and Industrial Research og formand for Academic Auxiliary Council.

I løbet af sit liv modtog Rutherford mange videnskabelige priser og æresdoktorgrader i mange lande samt legater fra mange selskaber og organisationer. Flere bygninger er blevet opkaldt efter ham, og han er optrådt på frimærker i fire forskellige lande og på New Zealands pengesedler. Grundstoffet rutherfordium er opkaldt til hans ære.

Rutherford døde i Cambridge i en alder af 66 år den 19. oktober 1937 som følge af komplikationer efter en brokoperation og blev begravet i Westminster Abbey i London. Lady Rutherford trak sig tilbage til sin alderdom i sit hjemland New Zealand i Christchurch, hvor hun døde i 1954.

"Det var næsten lige så utroligt som at bombardere silkepapir med 15-tommers projektiler og få dem til at hoppe tilbage og ramme mig." (Rutherford sagde, at hans eksperiment var resultatet af den forskning, der førte til opdagelsen af atomkernen).

Kilder

1. Ernest Rutherford
2. Ernest Rutherford
3. a b c d e f g h i THE GREAT PHYSICISTS from Galileo to Einstein, George Gamow, Dover Publications, Inc., New York, 1961.
4. a b c d e f g h i j k l m n o p q r GREAT EXPERIMENTS IN PHYSICS Firsthand Accaunts from Galileo to Einstein, Morris H. Shamos, Dover Publications, Inc., New York, 1959.
5. iparos — Werner Braunbekː Az atommag regénye. Gondolat Kiadó, Budapest, 1960, 9. old.
6. a b c d e Encyclopaedia Britannica
7. a b Tamaskóné Balla Gizella: Rutherford, Sir Ernest. In: Vészi Ferencné (szerk.): Nobel-díjasok kislexikona. Gondolat, Budapest, 1974. pp. 505–507.
8. Richard Rhodes, 1986: Az atombomba története. Park Könyvkiadó, Budapest, 2013. ISBN 978-963-530-959-7 p. 45.
9. a b Richard Rhodes, 1986: Az atombomba története. Park Könyvkiadó, Budapest, 2013. ISBN 978-963-530-959-7 p. 46.
10. a b «Ernest Rutherford - Facts». The Nobel Prize in Chemistry 1908 (en inglés). Consultado el 28 de noviembre de 2021.
11. McKown, Robin (1962). Giant of the Atom, Ernest Rutherford (en inglés). Julian Messner Inc, New York. p. 57.
12. ^ a b "Ernest Rutherford and Frederick Soddy". Archived from the original on 1 December 2017.