Ernest Rutherford
gigatos | 3 února, 2022
Souhrn
Ernest Rutherford, první baron Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30. srpna 1871 Spring Grove, Nový Zéland – 19. října 1937 Cambridge, Anglie, Spojené království) byl britský fyzik narozený na Novém Zélandu.
Rutherford měl možnost vzdělávat se již od dětství a využil ji k úspěchu ve studiu. Ještě jako student se věnoval vlastnímu výzkumu a jako postgraduální student byl přijat do své první výzkumné skupiny na univerzitě v Cambridge v Anglii. To byl začátek fyzikova výzkumu radioaktivity. V těchto aktivitách pokračoval po celý život na různých univerzitách po celém světě a dosáhl významných úspěchů.
Mezi velké objevy ve fyzice patří jeho zásluha na objevu atomového jádra v experimentu, který je dnes známý jako Rutherfordův experiment. Studoval radioaktivitu a jako první zavedl pojmy alfa, beta a gama záření. Rutherford jako první zjistil, že polovina radioaktivního materiálu se rozpadá za konstantní dobu (poločas rozpadu). Rutherford také objevil proton a vyslovil hypotézu o existenci nenabitých částic, neutronů, v atomu. Rutherfordovi byla v roce 1908 udělena Nobelova cena za chemii za výzkum radioaktivních prvků.
Ernest se narodil 30. srpna 1871 ve Spring Grove na Novém Zélandu. Ernestův otec James Rutherford a matka Martha Thompsonová emigrovali s rodiči na Nový Zéland v polovině 19. století, otec James ze Skotska ve věku 4 let a matka Martha z Anglie ve věku 13 let. Ernest se narodil do středostavovské rodiny. Podle různých zdrojů pracoval jeho otec za svého života jako zemědělec a mlynář lnu a provozoval vlastní pilu, na které mladý Ernest také hojně pracoval. Ernest byl obklopen pracovitými lidmi s dobrými technickými dovednostmi. Jeho otec také opravoval a udržoval stroje a součástky pro různé mlýny. Jeho matka byla učitelka, která všechny své děti učila číst a psát. V rodině Rutherfordových se narodilo 12 dětí, pět dívek a sedm chlapců. Ernest byl čtvrté dítě a druhý nejstarší syn. Tři Ernestovi bratři zemřeli v dětství, jeden při porodu a dva se bohužel utopili na rodinném výletě. To vedlo k depresím Ernestovy matky, ze kterých se během svého života nikdy nedostala.
Všechny Rutherfordovy děti získaly dobré vzdělání, protože jejich rodiče si vzdělání vážili. Ocenění rodičů bylo způsobeno tím, že otec James nikdy neměl příležitost a matka Marta ano. Jeho matka věřila, že „všechno poznání je moc“. Školní léta strávil Ernest ve venkovských školách v místě, kde žil až do roku 1886 (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). První učebnici přírodních věd dostal ve škole v 10 letech. V témže roce Rutherford sestrojil vlastní miniaturní dělo, které naštěstí explodovalo, aniž by způsobilo škodu.
Přečtěte si také, zivotopisy – August III. Polský
Roky studia
V roce 1887, na druhý pokus, získal patnáctiletý Ernest stipendium Marlborough Board of Education na soukromé střední škole Nelson College. Odstěhoval se z domova a úspěšně studoval všechny předměty, zejména matematiku a přírodní vědy. Během studií byl vášnivým hráčem ragby. Po ukončení školy v roce 1890, opět na druhý pokus, se Ernestovi podařilo získat stipendium na Canterbury College v Christchurchi, jedné ze čtyř novozélandských univerzit. Na Canterbury měl Rutherford štěstí, že ho učili skvělí profesoři, kteří ho skutečně zaujali vědeckým výzkumem. Během tříletého studia studoval latinu, francouzštinu a matematiku. V roce 1892 absolvoval bakalářské studium matematiky, aplikované matematiky, latiny, angličtiny, francouzštiny a fyziky. Díky vynikajícím známkám získal stipendium na jeden rok postgraduálního studia („Honours“ year). Během tohoto dalšího roku pan Rutherford dokončil bakalářské studium geologie a chemie. Při samostatném výzkumu se dále věnoval matematice a fyzice, zejména teorii elektřiny a magnetismu. V té době se zabýval především vysokofrekvenční magnetickou indukcí a magnetickou viskozitou železa a oceli, o čemž také publikoval své první práce. Během svého výzkumu vyvinul také několik nových fyzikálních zařízení, včetně detektoru rychlých proudových impulzů. V té době se seznámil s Mary Newtonovou, dcerou majitele bytu, kde studoval, a zamiloval se do ní.
Přečtěte si také, zivotopisy – Jan Hus
Jako postgraduální student na univerzitě
Přečtěte si také, civilizace – Wessex
Výzkum a úspěchy na univerzitách
McGillova univerzita, Montreal, Kanada (1898-1907)
Univerzita v Manchesteru, Anglie (1907-19)
University of Cambridge, Cavendish Laboratory, Anglie (1919-1937)
V roce 1898 Rutherford přijal místo profesora na McGillově univerzitě v kanadském Montrealu (1898-1907). Univerzita měla dobře vybavené laboratoře, a tak se Rutherford přestěhoval za oceán. Přijal mladého chemika Fredericka Soddyho, aby mu pomáhal ve výzkumu, a postgraduální studentku Harriet Brooksovou jako svou asistentku. S jejich pomocí prokázal tajemství radioaktivního rozpadu: atomy některých prvků se samovolně rozpadají na atomy lehčích prvků. To byl jeden z průlomových okamžiků jeho kariéry. Poté, co Rutherford zjistil, že konečným produktem rozpadu uranu je olovo, uvědomil si, že měřením relativního zastoupení uranu a olova v minerálech a rychlosti rozpadu atomů uranu lze určit stáří minerálů. Radioaktivní datování půdních vzorků je dodnes důležitou součástí geologického výzkumu. Na základě studií rozpadu těžkých prvků byl vyvinut pojem poločas rozpadu, tedy doba, za kterou se polovina atomových jader radioaktivní látky rozpadne na jiná atomová jádra.
Během svého působení na McGillově univerzitě přijímal Rutherford stále více studentů, včetně žen, kterých bylo v té době na univerzitě málo. Byla vyhledávanou řečnicí a novinářkou. V roce 1900 byl zvolen členem Kanadské královské společnosti a v roce 1903 členem Londýnské královské společnosti. V tomto období také napsal nejdůležitější učebnice o radioaktivitě. Jeho první kniha Radioaktivita vyšla v roce 1904. Získal granty, medaile a mnoho pracovních nabídek. Později, v roce 1908, mu byla udělena Nobelova cena za chemii za výzkum rozkladu prvků a za jeho chemické výsledky týkající se radioaktivních látek. Zmatený Rutherford často přátelům říkal, že nejrychlejší změna, kterou zná, je jeho přechod z fyzika na chemika.
V roce 1900 se Rutherford nakrátko vrátil na Nový Zéland, aby se oženil se svou milovanou Mary Newtonovou. Jejich jediné dítě Eileen se narodilo v roce 1901. V roce 1905 manželé navštívili Nový Zéland, aby obnovili kontakty se svými rodinami.
Rutherford nikdy nechtěl zůstat dlouho v klidu a často měl v hlavě nové alternativní možnosti. Severní Amerika měla dobrou vědeckou komunitu, ale centrum pozemské fyziky bylo v Evropě. Anglie ho opět přitahovala. Anglie byla blíže hlavním vědeckým centrům a měla více a kvalitnějších absolventů. Když Rutherfordovi v roce 1907 nabídli místo ředitele univerzity v Manchesteru, přijal ho.
Na univerzitě v Manchesteru se Rutherford zaměřil na výzkum záření alfa, beta a gama a na to, jak by tyto typy záření mohly přinést nové poznatky o podstatě atomů. Radiochemii přenechal jiným vědcům a vrátil se k fyzice. Rutherfordovi se podařilo ve svých fyzikálních studiích dokázat to, co už dlouho tušil. Částice alfa byla atomem helia bez elektronů. Chtěl však získat lepší důkazy na podporu svých zjištění a se svým výzkumným týmem provedl několik nových experimentů. Rutherford společně s Hansem Geigerem vyvinul elektrický detektor, tzv. elektrometr, který sloužil k detekci ionizovaných částic. Pomocí tohoto přístroje dokázal určit experimentálně důležité fyzikální konstanty, včetně Avogadrovy konstanty. Později Geiger společně s Waltherem Mϋllerem dokončil přístroj na měření radioaktivity, Geigerovu (Mϋllerovu) trubici, která je dodnes univerzálním přístrojem na měření radioaktivity. Pod Geigerovým vedením pověřil Rutherford svého mladého studenta Ernesta Madsena, aby změřil relativní počet částic alfa v závislosti na úhlu rozptylu a zjistil, zda se záření alfa od kovů odrazí zpět (dnes známé jako Rutherfordův experiment). Madsen zjistil, že část záření alfa se odráží od kovů a dokonce přímo od tenké vrstvy zlata. Tento výsledek trochu překvapil i Rutherforda. Na základě těchto výsledků dospěl v roce 1911 k závěru, že téměř veškerá hmotnost atomu je soustředěna v jeho malém jádře, které je tisíckrát menší než samotný atom, a většinu atomu tak tvoří prázdný prostor. Bylo nalezeno jádro atomu. Tento druhý velký Rutherfordův objev mu zajistil trvalou slávu. V roce 1912 navštívil Rutherfordovu laboratoř dánský fyzik Niels Bohr a o rok později prokázal význam Rutherfordových poznatků. Bohr dokázal, že radioaktivita vzniká v jádře atomu a chemické vlastnosti v elektronech obíhajících kolem jádra. Využil Rutherfordovy kvantové myšlenky a vytvořil orbitální model elektronů v atomu. Vznikl tak nový atomový model. Rutherfordovy a Bohrovy atomové modely jsou dodnes součástí učebnic chemie a fyziky. Kromě toho se Rutherfordův rozptyl stále používá jako pomůcka pro mikroelektronická zařízení, která slouží k detekci jaderných částic a atomových orbitalů.
V roce vypuknutí první světové války (1914-1918) byl Rutherford povýšen do rytířského stavu. Během války prováděl výzkum pro vládu a vyvíjel akustické metody detekce ponorek. Tyto informace pak byly sděleny Američanům. Zároveň se neúspěšně snažil přesvědčit mladé vědce, že bude lepší využít je k vývoji a výzkumu válečných výzev, než aby jejich životy a vědecký talent byly zničeny v zákopech. Ke konci války v roce 1917 se Rutherford vrátil k atomové vědě. Při bombardování lehkých atomů zářením alfa si Rutherford všiml, že výsledné vyvržené částice mají vyšší energii než záření alfa, a usoudil, že jde o jádra vodíku (protony H+). Na základě tohoto pozorování dospěl k závěru, že bombardování současně přeměnilo atomy dusíku na atomy kyslíku. Podařilo se mu tedy pomocí částic alfa (He2+) přeměnit prvek na jiný prvek v důsledku jaderné reakce. Rutherford se tak stal prvním úspěšným alchymistou na světě a prvním, kdo rozštěpil jádro, což mu zajistilo trvalou vědeckou reputaci. Tyto výsledky byly zveřejněny po válce v roce 1919.
Po válce v roce 1919 se vrátil ke svým univerzitním výzkumným kořenům a měl tu čest obsadit místo profesora experimentální fyziky v Cambridge a post ředitele Cavendishovy laboratoře, kde vystřídal slavného sira J. J. Thomsona. Jeho čas nyní zabíraly také administrativní povinnosti, takže už neměl tolik času věnovat se výzkumu jako dříve.
Rutherford pozval Jamese Chadwicka, postgraduálního studenta z Manchesteru, aby se k němu připojil v Cavendishi a pokračoval ve společném výzkumu. V laboratorních pokusech bombardovali lehké atomy zářením alfa, což způsobilo změny v jejich struktuře, ale nepodařilo se jim proniknout zářením alfa do jader těžších prvků. Vzájemné náboje záření alfa a jader těžších atomů se zřejmě odpuzovaly. Kromě toho nemohli určit, zda se částice alfa odrazila zpět, nebo zda se spojila s jádrem a byla stejně bombardována. Nakonec, koncem 20. let 20. století, umožnily tyto otázky vyřešit pokroky v ekotechnologii. V prvním desetiletí svého působení jako univerzitní profesor a ředitel laboratoře se Rutherford soustředil především na vytváření prvotřídních výzkumných skupin. Ukázal se jako lidský a vstřícný vedoucí, který dbal na to, aby studenti získali zásluhy za výzkum, který vedl. Na univerzitě vedl kampaň za to, aby ženy měly stejná práva jako muži.
V roce 1925 Rutherford naposledy odcestoval do Austrálie a na Nový Zéland. Během své šestitýdenní návštěvy Nového Zélandu přednesl několik veřejných přednášek. Všude, kde přednášel, se mu dostalo uctivého přijetí. Sály byly plné lidí, kteří si chtěli poslechnout jeho přednášku o struktuře atomu. Rutherford prohlásil, že byl vždy hrdý na to, že je Novozélanďan. Vyjádřil podporu vzdělávání a výzkumu a doporučil, aby byl prováděn vědecký výzkum, který by byl přínosem pro zemědělce. Díky jeho podpoře byl v roce 1926 na Novém Zélandu založen Institut vědeckého a průmyslového výzkumu. Během své návštěvy Nového Zélandu také nějaký čas podporoval své nemocné rodiče.
Jediná dcera Rutherfordových Eileen byla provdána za Ralpha Fowlera, matematického fyzika z Cavendishovy laboratoře. Měli čtyři děti, všechny byly velmi vzdělané. Když Eileen v roce 1930 zemřela na krevní sraženinu ve věku pouhých 29 let, devět dní po narození nejmladšího dítěte a pouhé dva dny před Vánocemi 1930, na rodinu Rutherfordových padl smutek.Na Nový rok toho roku byla Rutherfordová jmenována baronkou, baronem Rutherfordem z Nelsonu, ale tuto poctu zastínil smutek ze smrti její dcery.
S rozvojem technologií byla 30. léta 20. století zlatým věkem Rutherfordových výzkumných týmů. V roce 1932 objevil James Chadwick neutron a prokázal, že jádro se skládá z protonů a neutronů. Rutherford předpověděl existenci neutronu o deset let dříve a vedl Chadwicka při jeho výzkumu tím, že mu řekl, jaké vlastnosti by měl neutron mít. V témže roce se Johnu Cockcroftovi a Ernestu Waltonovi podařilo rozštěpit atom lithia bombardováním protony, jádry atomu vodíku, urychlenými na velmi vysokou rychlost vysokonapěťovým urychlovačem. Atom lithia se rozdělil na dvě částice alfa. Později, v roce 1951, jim byla za jejich práci udělena Nobelova cena za fyziku.
Po vynálezu mračné komory (anglický fyzik Charles Wilson, Nobelova cena za fyziku 1927) se podařilo získat vizuální důkazy o tom, co se při srážkách skutečně děje. Anglický fyzik Patrick Blackett použil mračnou komoru ke studiu 400 000 srážek částic alfa a zjistil, že většina z nich byly obyčejné pružné srážky. Některé srážky však vedly k rozpadu. Při nich záření alfa proniklo do jádra cílového iontu, načež se jádro rozdělilo na dvě části. Jednalo se o velmi důležitý krok v pochopení jaderných reakcí a Blackett za své výsledky získal v roce 1948 Nobelovu cenu za fyziku. Pod Rutherfordovým vedením začala velká vědecká éra. Již před lety Rutherford předpokládal, že k proniknutí do jádra atomu je zapotřebí částic urychlených na několik milionů voltů, aby se vyrovnaly energii částic vyjmutých z radioaktivního atomu. Za tímto účelem po léta tlačil na průmysl své země, aby vyvinul vysokonapěťové zdroje. George Gamow a Norman Feather však ve svém vlastním výzkumu učinili objev, který ukázal, že částice s nižší energií jsou při pronikání do jádra atomu účinnější. Rutherford uvedl do provozu nízkonapěťový urychlovač částic s mnohem lepším tokem částic. Gilbert Lewis tak mohl experimentovat s těžším vodíkem, deuteriem a tritiem, a lehkým heliem (He-3). V roce 1932 se tak Rutherfordovi, australskému fyzikovi Marku Oliphantovi a německému chemikovi Paulu Harteckovi podařilo ve spolupráci dosáhnout první fúzní reakce. Bombardováním deuteria (2H) deuterony (2H+) vzniklo tritium (3H). Rutherford doufal, že jaderné štěpení, které dokáže účinně uvolňovat energii z uranu, bude objeveno až poté, co lidé budou moci žít v harmonii se svými sousedy. To se však podařilo až několik let po jeho smrti.
Přečtěte si také, dejiny – Černá ruka
Epilog
Rutherford měl kromě vědy několik zájmů, především golf a motorismus. Byl liberál, ale nebyl politicky aktivní, ačkoli byl členem poradního sboru Vládního ústavu pro vědecký a průmyslový výzkum a předsedou Akademické pomocné rady.
Během svého života obdržel Rutherford mnoho vědeckých ocenění a čestných doktorátů v mnoha zemích a také granty od mnoha společností a organizací. Je po něm pojmenováno několik budov a objevil se na poštovních známkách čtyř různých zemí a na novozélandských bankovkách. Na jeho počest je pojmenován prvek rutherfordium.
Rutherford zemřel 19. října 1937 v Cambridge ve věku 66 let na komplikace po operaci kýly a byl pohřben ve Westminsterském opatství v Londýně. Lady Rutherfordová odešla na stáří na rodný Nový Zéland do Christchurch, kde v roce 1954 zemřela.
Přečtěte si také, zivotopisy – Žygimantas Kęstutaitis
Publikace
Zdroje
