Streszczenie

Ernest Rutherford, pierwszy baron Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30 sierpnia 1871 Spring Grove, Nowa Zelandia - 19 października 1937 Cambridge, Anglia, Wielka Brytania) był brytyjskim fizykiem urodzonym w Nowej Zelandii.

Rutherford miał możliwość edukacji od dzieciństwa i wykorzystał ją, aby odnieść sukces w nauce. Prowadził własne badania jeszcze jako student i został przyjęty do swojej pierwszej grupy badawczej jako student podyplomowy na Uniwersytecie Cambridge w Anglii. Był to początek badań fizyka nad radioaktywnością. Kontynuował je przez całe życie na różnych uniwersytetach na całym świecie, uzyskując znaczące osiągnięcia.

Wśród wielkich odkryć w dziedzinie fizyki przypisuje mu się odkrycie jądra atomowego w eksperymencie znanym obecnie jako eksperyment Rutherforda. Badał radioaktywność i jako pierwszy wprowadził pojęcia promieniowania alfa, beta i gamma. Rutherford jako pierwszy odkrył, że połowa materiału radioaktywnego rozpada się w stałym czasie (okres półtrwania). Rutherford odkrył również proton i postawił hipotezę o istnieniu w atomie nienaładowanych cząstek, neutronów. Rutherford otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1908 roku za swoje badania nad chemią pierwiastków promieniotwórczych.

Ernest urodził się w Spring Grove w Nowej Zelandii 30 sierpnia 1871 roku. Ojciec Ernesta, James Rutherford, i matka, Martha Thompson, wyemigrowali wraz z rodzicami do Nowej Zelandii w połowie XIX wieku, ojciec James ze Szkocji w wieku 4 lat, a matka Martha z Anglii w wieku 13 lat. Ernest urodził się w rodzinie z klasy średniej. Według różnych źródeł jego ojciec pracował jako rolnik i młynarz lnu, a także prowadził własny tartak, w którym młody Ernest również dużo pracował. Ernest był otoczony przez ciężko pracujących ludzi z dobrymi umiejętnościami technicznymi. Jego ojciec również naprawiał i konserwował maszyny i części do różnych młynów. Jego matka była nauczycielką, która nauczyła wszystkie swoje dzieci czytać i pisać. W rodzinie Rutherford urodziło się 12 dzieci, pięć dziewczynek i siedmiu chłopców. Ernest był czwartym dzieckiem i drugim najstarszym synem. Trzech braci Ernesta zmarło w wieku niemowlęcym, jeden przy porodzie, a dwóch niestety utonęło podczas rodzinnej wycieczki. Doprowadziło to matkę Ernesta do depresji, z której nigdy nie wyszła.

Wszystkie dzieci Rutherfordów otrzymały dobre wykształcenie, ponieważ ich rodzice cenili edukację. Uznanie rodziców wynikało z faktu, że ojciec James nigdy nie miał takiej możliwości, a matka Martha tak. Jego matka wierzyła, że "wiedza to potęga". Ernest spędził lata szkolne w wiejskich szkołach w miejscu, w którym mieszkał do 1886 roku (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Pierwszą książkę naukową otrzymał ze szkoły w wieku 10 lat. W tym samym roku Rutherford zbudował własną miniaturową armatę, która na szczęście eksplodowała, nie powodując żadnych szkód.

Lata studiów

W 1887 r., przy drugiej próbie, 15-letni Ernest otrzymał stypendium Marlborough Board of Education do Nelson College, prywatnej szkoły średniej. Przeprowadził się z domu i z powodzeniem studiował wszystkie przedmioty, zwłaszcza matematykę i nauki ścisłe. Podczas nauki był zapalonym graczem rugby. Po ukończeniu szkoły w 1890 r., ponownie przy drugiej próbie, Ernestowi udało się zdobyć stypendium do Canterbury College w Christchurch, jednego z czterech nowozelandzkich uniwersytetów. W Canterbury Rutherford miał szczęście być nauczanym przez genialnych profesorów, którzy naprawdę zainteresowali go badaniami naukowymi. Podczas trzyletnich studiów studiował łacinę, francuski i matematykę. W 1892 roku ukończył studia (Bachelor of Arts) z matematyki, matematyki stosowanej, łaciny, angielskiego, francuskiego i fizyki. Dzięki doskonałym ocenom otrzymał stypendium na jeden rok studiów podyplomowych (rok "Honours"). Podczas tego dodatkowego roku pan Rutherford ukończył studia licencjackie z geologii i chemii. Studiował również matematykę i fizykę, prowadząc niezależne badania, koncentrując się głównie na teorii elektryczności i magnetyzmu. Jego główne badania w tym czasie dotyczyły indukcji magnetycznej o wysokiej częstotliwości oraz lepkości magnetycznej żelaza i stali, na temat których opublikował również swoje pierwsze artykuły. Podczas swoich badań opracował również kilka nowych urządzeń fizycznych, w tym detektor szybkich impulsów prądowych. Mniej więcej w tym czasie poznał i zakochał się w Mary Newton, córce właściciela mieszkania, w którym studiował.

Jako student studiów podyplomowych na uniwersytecie

Po ukończeniu studiów ambicją Rutherforda było zostanie badaczem w Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie Cambridge w Anglii. Jego życzenie zostało szczęśliwie spełnione, gdy James Maclaurin, jeden z pozostałych kandydatów, odrzucił ofertę, ponieważ nie zgodził się na warunki stypendium. Rutherford wyjechał więc z Nowej Zelandii do Anglii i został pierwszym absolwentem studiów podyplomowych poza Cambridge (1895-98). W ten sposób Rutherford rozpoczął pracę naukową w grupie badawczej profesora J.J. Thompsona w Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie w Cambridge. Jako ambitny absolwent, jako pierwszy z powodzeniem transmitował i odbierał fale elektromagnetyczne. W swoich badaniach udało mu się przesłać fale elektromagnetyczne na odległość pół mili, co było wówczas rekordem świata. Oprócz wykazania, że wyładowanie oscylacyjne namagnesowało żelazo, Rutherford odkrył, że namagnesowana igła straciła swój magnetyzm w polu magnetycznym wytwarzanym przez prąd zmienny. Dzięki temu igła stała się detektorem promieniowania elektromagnetycznego, co zostało odkryte w tym samym czasie przez niemieckiego fizyka Heinricha Hertza w jego laboratorium. Wyniki Rutherforda były prostsze i miały większy potencjał komercyjny. Gdy Rutherford dowiedział się o odkryciu promieni X przez Niemca Wilhelma Röntgena, na prośbę J.J. Thompsona z radością przystąpił do badania wpływu promieni X na przewodzenie prądu elektrycznego w gazach. Badania Thompsona i Rutherforda doprowadziły do zaobserwowania jonizacji, rozkładu atomów i cząsteczek na części dodatnie i ujemne (jony) oraz przyciągania tych naładowanych cząstek do przeciwległych elektrod. Badania Rutherforda koncentrowały się również na promieniowaniu wytwarzającym jony, promieniowaniu ultrafioletowym i promieniowaniu emitowanym przez uran. Rutherford odkrył, że promieniowanie emitowane przez uran było znacznie bardziej złożone niż wcześniej sądzono. Wkrótce zaczął rozumieć koncepcję radioaktywności, która stała się jego głównym zainteresowaniem, a tym samym pracą jego życia. W 1898 roku odkrył, że radioaktywne atomy, w jego badaniach atomy uranu, emitują dwa rodzaje promieniowania. Nazwał je promieniowaniem alfa (α) i beta (β). Bardzo szybko okazało się, że promieniowanie beta to szybkie elektrony. Przez kilka kolejnych lat naukowcy skupiali swoją uwagę na badaniu promieniowania alfa i beta. Oprócz pracy badawczej, wraz z J.J. Thompsonem mógł uczestniczyć w spotkaniach Royal Society i British Association. Dało mu to możliwość podzielenia się wynikami swoich badań i zademonstrowania swojego talentu, a także pozostawiło trwały ślad na Uniwersytecie Cambridge.

Badania i osiągnięcia na uniwersytetach

Uniwersytet McGill, Montreal, Kanada (1898-1907)

Uniwersytet w Manchesterze, Anglia (1907-19)

Uniwersytet Cambridge, Laboratorium Cavendisha, Anglia (1919-1937)

W 1898 r. Rutherford objął stanowisko profesora na Uniwersytecie McGill w Montrealu w Kanadzie (1898-1907), który posiadał dobrze wyposażone laboratoria, więc Rutherford przeniósł się za ocean. Zrekrutował młodego chemika Fredericka Soddy'ego, aby pomagał mu w badaniach, oraz studentkę Harriet Brooks, która została jego asystentką. Z ich pomocą zademonstrował tajemnicę rozpadu radioaktywnego: atomy niektórych pierwiastków spontanicznie rozpadają się na atomy lżejszych pierwiastków. Był to jeden z przełomowych momentów w jego karierze. Po odkryciu, że końcowym produktem rozpadu uranu jest ołów, Rutherford zdał sobie sprawę, że mierząc względne proporcje uranu i ołowiu w minerałach oraz szybkość rozpadu atomów uranu, można określić wiek minerałów. Radioaktywne datowanie próbek gleby jest nadal ważną częścią badań geologicznych. W wyniku badań nad rozpadem ciężkich pierwiastków opracowano koncepcję okresu połowicznego rozpadu, czyli czasu potrzebnego połowie jąder atomowych substancji radioaktywnej do rozpadu na inne jądra atomowe.

W latach 1902-1903 Rutherford i Soddy opracowali teorię rozpadu jako wyjaśnienie radioaktywności, która jest uważana za największe osiągnięcie Rutherforda na Uniwersytecie McGill. W alchemii i teorii pierwiastków przejściowych atomy były uważane za stabilne, ale Rutherford i Soddy argumentowali, że energia radioaktywna pochodzi z wnętrza atomu i że spontaniczna emisja cząstek alfa i beta oznaczała chemiczną transformację atomów z jednego pierwiastka do drugiego. Przytłaczające dowody z badań eksperymentalnych stłumiły wątpliwości. Rutherford uważał, że cząstka alfa była głównym czynnikiem przyczyniającym się do tej zmiany chemicznej ze względu na konkretną masę cząstki alfa. Zidentyfikował ładunek dodatni na cząstce alfa, ale nie mógł jeszcze określić, czy był to jon wodoru czy helu.

Podczas swojego pobytu na Uniwersytecie McGill Rutherford przyjmował coraz więcej studentów, w tym kobiety, których w tamtym czasie było niewiele na uniwersytecie. Była poszukiwanym mówcą i dziennikarzem. W 1900 r. został wybrany członkiem Royal Society of Canada, a w 1903 r. Royal Society of London. Napisał również najważniejsze podręczniki na temat radioaktywności w tym okresie. Jego pierwsza książka Radioactivity została opublikowana w 1904 roku. Otrzymywał granty, medale i wiele ofert pracy. Później, w 1908 roku, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za swoje badania nad rozkładem pierwiastków i wyniki chemiczne dotyczące substancji radioaktywnych. Zdumiony Rutherford często powtarzał przyjaciołom, że najszybszą zmianą, jaką znał, było jego przejście od fizyka do chemika.

W 1900 r. Rutherford powrócił na krótko do Nowej Zelandii, by poślubić swoją ukochaną Mary Newton. Ich jedyne dziecko, Eileen, urodziło się w 1901 roku. Para odwiedziła Nową Zelandię w 1905 roku, aby odnowić więzi ze swoimi rodzinami.

Rutherford nigdy nie chciał pozostać w miejscu przez długi czas i często myślał o nowych alternatywnych możliwościach. Ameryka Północna miała dobrą społeczność naukową, ale centrum fizyki ziemskiej znajdowało się w Europie. Anglia przyciągnęła go ponownie. Anglia była bliżej głównych ośrodków naukowych i miała zarówno więcej, jak i lepszych absolwentów. W 1907 r., kiedy Rutherford otrzymał propozycję objęcia stanowiska dyrektora Uniwersytetu w Manchesterze, przyjął ją.

Na Uniwersytecie w Manchesterze Rutherford ponownie skoncentrował swoje badania na promieniowaniu alfa, beta i gamma oraz na tym, w jaki sposób te rodzaje promieniowania mogą zapewnić nowy wgląd w naturę atomów. Pozostawił radiochemię innym naukowcom i powrócił do fizyki. Rutherfordowi udało się udowodnić w swoich badaniach fizycznych to, co od dawna podejrzewał. Cząstka alfa była atomem helu bez elektronów. Potrzebował jednak lepszych dowodów na poparcie swoich odkryć i przeprowadził kilka nowych eksperymentów ze swoim zespołem badawczym. Wraz z Hansem Geigerem Rutherford opracował detektor elektryczny, "elektrometr", do wykrywania zjonizowanych cząstek. Dzięki temu instrumentowi był w stanie określić eksperymentalnie ważne stałe fizyczne, w tym stałą Avogadro. Później Geiger ukończył wraz z Waltherem Mϋllerem instrument do pomiaru radioaktywności, lampę Geigera (Mϋllera), która do dziś jest uniwersalnym przyrządem do pomiaru radioaktywności. Rutherford, pod kierunkiem Geigera, zlecił swojemu młodemu uczniowi Ernestowi Madsenowi zmierzenie względnej liczby cząstek alfa w odniesieniu do kąta rozpraszania i ustalenie, czy jakiekolwiek promieniowanie alfa zostanie odbite z powrotem od metali (obecnie znane jako eksperyment Rutherforda). Madsen odkrył, że część promieniowania alfa została odbita z powrotem od metali, a nawet bezpośrednio od cienkiej warstwy złota. Wynik ten nieco zaskoczył nawet Rutherforda. Na podstawie tych wyników w 1911 roku doszedł do wniosku, że prawie cała masa atomu to

W roku wybuchu I wojny światowej (1914-1918) Rutherford został pasowany na rycerza. Podczas wojny prowadził badania dla rządu, opracowując akustyczne metody wykrywania okrętów podwodnych. Informacje te zostały następnie udostępnione Amerykanom. W tym samym czasie bezskutecznie próbował przekonać młodych naukowców, że lepiej będzie wykorzystać ich do rozwoju i badań nad wyzwaniami wojennymi, niż zniszczyć ich życie i talent naukowy w okopach. Pod koniec wojny w 1917 roku Rutherford powrócił do praktyki atomistyki. Podczas bombardowania lekkich atomów promieniowaniem alfa, Rutherford zauważył, że wyrzucone cząstki miały wyższą energię niż promieniowanie alfa i domyślił się, że były to jądra wodoru (protony H+). Z tej obserwacji wywnioskował, że bombardowanie przekształciło również atomy azotu w atomy tlenu. Udało mu się zatem wykorzystać cząstki alfa (He2+) do przekształcenia pierwiastka w inny pierwiastek w reakcji jądrowej. W ten sposób Rutherford stał się pierwszym na świecie alchemikiem, który odniósł sukces i pierwszym, który rozszczepił jądro, co zapewniło mu trwałą reputację naukową. Wyniki te zostały opublikowane po wojnie w 1919 roku.

Po wojnie w 1919 r. powrócił do swoich uniwersyteckich korzeni badawczych i miał zaszczyt objąć stanowisko profesora fizyki eksperymentalnej w Cambridge oraz stanowisko dyrektora Cavendish Laboratory, zastępując słynnego Sir J.J. Thomsona. Jego czas był teraz również zajęty obowiązkami administracyjnymi, więc nie miał już tyle czasu, aby skoncentrować się na badaniach, co wcześniej.

Rutherford zaprosił Jamesa Chadwicka, studenta z Manchesteru, aby dołączył do niego w Cavendish i kontynuował ich wspólne badania. W eksperymentach laboratoryjnych bombardowali lekkie atomy promieniowaniem alfa, powodując zmiany w ich strukturze, ale nie udało im się przeniknąć jąder cięższych pierwiastków promieniowaniem alfa. Wzajemne ładunki między promieniowaniem alfa a jądrami cięższych atomów wydawały się odpychać. Ponadto nie byli w stanie określić, czy cząstki alfa były odbijane z powrotem, czy też łączyły się z jądrem, które i tak było bombardowane. Ostatecznie, pod koniec lat dwudziestych XX wieku, postępy w dziedzinie ekotechnologii umożliwiły rozwiązanie tych kwestii. W międzyczasie, w swojej pierwszej dekadzie jako profesor uniwersytecki i dyrektor laboratorium, Rutherford skupił się głównie na tworzeniu pierwszorzędnych grup badawczych. Okazał się humanitarnym i wspierającym przywódcą, który upewnił się, że studenci otrzymali uznanie za badania, których był mentorem. Prowadził kampanię na uniwersytecie, aby kobiety miały takie same prawa jak mężczyźni.

W 1925 r. Rutherford po raz ostatni udał się do Australii i Nowej Zelandii. Podczas sześciotygodniowej wizyty w Nowej Zelandii wygłosił kilka publicznych wykładów. Gdziekolwiek wykładał, spotykał się z pełnym szacunku przyjęciem. Sale były wypełnione ludźmi, którzy chcieli posłuchać, jak mówi o strukturze atomu. Rutherford oświadczył, że zawsze był dumny z bycia Nowozelandczykiem. Wyraził swoje poparcie dla edukacji i badań oraz zalecił prowadzenie badań naukowych, które przyniosłyby korzyści rolnikom. W wyniku jego wsparcia w 1926 r. w Nowej Zelandii utworzono Instytut Badań Naukowych i Przemysłowych. Podczas swojej wizyty w Nowej Zelandii spędził również czas wspierając swoich schorowanych rodziców.

Jedyna córka Rutherfordów, Eileen, wyszła za mąż za Ralpha Fowlera, fizyka matematycznego z Cavendish Laboratory. Mieli czwórkę dzieci, z których wszystkie były bardzo dobrze wykształcone. Smutek spadł na rodzinę Rutherfordów, gdy Eileen zmarła z powodu zakrzepu krwi w 1930 r., w wieku zaledwie 29 lat, dziewięć dni po urodzeniu najmłodszego dziecka i zaledwie dwa dni przed Bożym Narodzeniem 1930 r. W Nowy Rok tego roku Rutherford została mianowana baronem Rutherford of Nelson, ale ten zaszczyt został przyćmiony przez smutek z powodu śmierci jej córki.

Wraz z rozwojem technologii, lata 30. były złotym wiekiem zespołów badawczych Rutherforda. W 1932 roku James Chadwick odkrył neutron, wykazując, że jądro składa się z protonów i neutronów. Rutherford przewidział istnienie neutronu dekadę wcześniej i kierował Chadwickiem w jego badaniach, mówiąc mu, jakie właściwości powinien mieć neutron. W tym samym roku John Cockcroft i Ernest Walton zdołali rozszczepić atom litu, bombardując go protonami, jądrami atomu wodoru, przyspieszanymi do bardzo dużych prędkości przez akcelerator wysokiego napięcia. Atom litu rozpadł się na dwie cząstki alfa. Za swoją pracę para otrzymała później Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1951 roku.

Po wynalezieniu komory chmurowej (przez angielskiego fizyka Charlesa Wilsona, Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 1927 r.) uzyskano wizualne dowody na to, co faktycznie działo się podczas zderzeń. Angielski fizyk Patrick Blackett wykorzystał komorę chmurową do zbadania 400 000 zderzeń cząstek alfa i odkrył, że większość z nich to zwykłe zderzenia sprężyste. Niektóre zderzenia skutkowały jednak rozpadem. W tych przypadkach promieniowanie alfa przenikało do jądra jonu docelowego, po czym jądro rozpadało się na dwie części. Był to bardzo ważny krok w zrozumieniu reakcji jądrowych, a Blackett otrzymał za swoje wyniki Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1948 roku. Pod kierownictwem Rutherforda rozpoczęła się wielka era naukowa. Lata wcześniej Rutherford założył, że penetracja jądra atomu wymagałaby cząstek przyspieszonych o kilka milionów woltów, aby dorównać energii cząstek usuniętych z radioaktywnego atomu. Dlatego przez lata naciskał na przemysł swojego kraju, aby opracował źródła wysokiego napięcia. Jednak George Gamow i Norman Feather, podczas swoich własnych badań, dokonali odkrycia, które wykazało, że cząstki o niższej energii były bardziej skuteczne w penetracji jądra atomu. Rutherford zamówił akcelerator cząstek niskiego napięcia o znacznie lepszym przepływie cząstek. W rezultacie Gilbert Lewis był w stanie eksperymentować z cięższym wodorem, deuterem i trytem oraz lekkim helem (He-3). W rezultacie w

Epilog

Rutherford miał kilka zainteresowań poza nauką, głównie golfem i motoryzacją. Był liberałem, ale nie angażował się politycznie, choć był członkiem Rady Doradczej Rządowego Instytutu Badań Naukowych i Przemysłowych oraz przewodniczącym Akademickiej Rady Pomocniczej.

W ciągu swojego życia Rutherford otrzymał wiele nagród naukowych i doktoratów honoris causa w wielu krajach, a także granty od wielu stowarzyszeń i organizacji. Jego imieniem nazwano kilka budynków, a on sam pojawił się na znaczkach pocztowych w czterech różnych krajach i na banknotach Nowej Zelandii. Pierwiastek rutherfordium został nazwany na jego cześć.

Rutherford zmarła w Cambridge w wieku 66 lat w dniu 19 października 1937 r. z powodu powikłań po operacji przepukliny i została pochowana w Opactwie Westminsterskim w Londynie. Lady Rutherford przeszła na emeryturę w rodzinnej Nowej Zelandii w Christchurch, gdzie zmarła w 1954 roku.

"To było prawie tak niewiarygodne, jak bombardowanie bibuły 15-calowymi pociskami, które odbijały się i uderzały we mnie". (Rutherford powiedział, że jego eksperyment był wynikiem badań, które doprowadziły do odkrycia jądra atomowego).

Źródła

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. iparos — Werner Braunbekː Az atommag regénye. Gondolat Kiadó, Budapest, 1960, 9. old.
5. a b c d e Encyclopaedia Britannica
6. McKown, Robin (1962). Giant of the Atom, Ernest Rutherford (en inglés). Julian Messner Inc, New York. p. 57.
7. Birth, Death and Marriage Historical Records, New Zealand Government Registration number 1954/19483
8. Rutherford, E.; Royds, T. (1908). «Spectrum of the radium emanation». Philosophical Magazine. Series 6 (en inglés) 16 (92): 313. doi:10.1080/14786440808636511.
9. Longair, M. S. (2003). Theoretical concepts in physics: an alternative view of theoretical reasoning in physics (en inglés). Cambridge University Press. pp. 377-378. ISBN 978-0-521-52878-8.
10. ^ See the article on Kelvin for details of his arguments.