Ernest Rutherford
gigatos | 22 lutego, 2022
Streszczenie
Ernest Rutherford, pierwszy baron Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30 sierpnia 1871 r. Spring Grove, Nowa Zelandia – 19 października 1937 r. Cambridge, Anglia, Wielka Brytania) był brytyjskim fizykiem urodzonym w Nowej Zelandii.
Rutherford miał możliwość kształcenia się od dzieciństwa i wykorzystał ją, by odnieść sukces w nauce. Jeszcze w czasie studiów prowadził własne badania i został przyjęty do swojej pierwszej grupy badawczej jako student podyplomowy na Uniwersytecie Cambridge w Anglii. Był to początek badań fizyka nad promieniotwórczością. Kontynuował je przez całe życie na różnych uniwersytetach na całym świecie, uzyskując znaczące osiągnięcia.
Do wielkich odkryć w fizyce należy zaliczyć odkrycie jądra atomowego w eksperymencie znanym obecnie jako eksperyment Rutherforda. Badał promieniotwórczość i jako pierwszy wprowadził pojęcia promieniowania alfa, beta i gamma. Rutherford jako pierwszy odkrył, że połowa materiału radioaktywnego rozpada się w stałym czasie (okres połowicznego zaniku). Rutherford odkrył także proton i wysunął hipotezę o istnieniu w atomie cząstek nienaładowanych, neutronów. Za swoje badania nad chemią pierwiastków promieniotwórczych Rutherford otrzymał w 1908 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.
Ernest urodził się 30 sierpnia 1871 r. w Spring Grove w Nowej Zelandii. Ojciec Ernesta, James Rutherford, i matka, Martha Thompson, wyemigrowali z rodzicami do Nowej Zelandii w połowie XIX w. Ojciec James ze Szkocji w wieku 4 lat, a matka Martha z Anglii w wieku 13 lat. Ernest urodził się w rodzinie należącej do klasy średniej. Według różnych źródeł, jego ojciec za życia pracował jako rolnik i młynarz lnu, a także prowadził własny tartak, w którym młody Ernest również dużo pracował. Ernest był otoczony pracowitymi ludźmi o dobrych umiejętnościach technicznych. Jego ojciec zajmował się również naprawą i konserwacją maszyn i części dla różnych młynów. Jego matka była nauczycielką, która nauczyła wszystkie swoje dzieci czytać i pisać. W rodzinie Rutherfordów 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 nie otrząsnęła się już za życia.
Wszystkie dzieci Rutherfordów otrzymały dobre wykształcenie, ponieważ ich rodzice cenili edukację. Uznanie rodziców wynikało z tego, że ojciec James nigdy nie miał takiej możliwości, a matka Martha tak. Jego matka uważała, że „każda wiedza to potęga”. Lata szkolne Ernest spędził w wiejskich szkołach w miejscu zamieszkania do 1886 r. (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Pierwszy podręcznik do nauki otrzymał w szkole w wieku 10 lat. W tym samym roku Rutherford zbudował własną miniaturową armatę, która na szczęście eksplodowała, nie powodując żadnych szkód.
Przeczytaj także: bitwy – Zdobycie Jerozolimy (1099)
Lata studiów
W 1887 r., przy drugiej próbie, 15-letni Ernest otrzymał stypendium Marlborough Board of Education do Nelson College, prywatnej szkoły średniej. Wyjechał z domu i uczył się z powodzeniem wszystkich przedmiotów, zwłaszcza matematyki i nauk przyrodniczych. Podczas studiów 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 uczonym przez znakomitych profesorów, którzy naprawdę zainteresowali go badaniami naukowymi. Podczas trzyletnich studiów studiował łacinę, język francuski i matematykę. W 1892 r. ukończył studia (Bachelor of Arts) w zakresie matematyki, matematyki stosowanej, łaciny, języka angielskiego, francuskiego i fizyki. Dzięki bardzo dobrym ocenom otrzymał stypendium na jeden rok studiów podyplomowych (rok „Honours”). W tym dodatkowym roku pan Rutherford ukończył studia licencjackie z geologii i chemii. Studiował również matematykę i fizykę, prowadząc niezależne badania, głównie nad teorią elektryczności i magnetyzmu. W tym czasie jego główne badania dotyczyły indukcji magnetycznej wysokiej częstotliwości oraz lepkości magnetycznej żelaza i stali, na temat których opublikował również swoje pierwsze prace. W trakcie swoich badań opracował również kilka nowych urządzeń fizycznych, w tym detektor szybkich impulsów prądowych. W tym czasie poznał i zakochał się w Mary Newton, córce właściciela mieszkania, w którym się uczył.
Przeczytaj także: biografie-pl – Jean-Auguste-Dominique Ingres
Jako student studiów podyplomowych na uniwersytecie
Po studiach Rutherford chciał zostać pracownikiem naukowym w Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie Cambridge w Anglii. Jego życzenie na szczęście spełniło się, gdy James Maclaurin, jeden z pozostałych kandydatów, odmówił przyjęcia posady, ponieważ nie zgodził się na warunki stypendium. Rutherford wyjechał więc z Nowej Zelandii do Anglii i został pierwszym absolwentem studiów podyplomowych, który ukończył studia poza Cambridge (1895-98). W ten sposób Rutherford rozpoczął pracę badawczą w grupie profesora J.J. Thompsona w Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie w Cambridge. Jako ambitny student, jako pierwszy z powodzeniem nadawał i odbierał fale elektromagnetyczne. W swoich badaniach udało mu się przesłać fale elektromagnetyczne na odległość pół mili, co stanowiło wówczas rekord świata. Rutherford nie tylko wykazał, że wyładowanie oscylacyjne magnesuje żelazo, ale także odkrył, że namagnesowana igła traci swój magnetyzm w polu magnetycznym wytwarzanym przez prąd zmienny. W ten sposób igła stała się detektorem promieniowania elektromagnetycznego, co odkrył w tym samym czasie niemiecki fizyk Heinrich Hertz w swoim 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 podjął się badania wpływu promieni X na przewodzenie prądu w gazach. Badania Thompsona i Rutherforda doprowadziły do zaobserwowania jonizacji, czyli rozpadu atomów i cząsteczek na część dodatnią i ujemną (jony) oraz przyciągania tych naładowanych cząstek do przeciwległych elektrod. Badania Rutherforda dotyczyły także promieniowania jonowego, promieniowania ultrafioletowego oraz promieniowania emitowanego przez uran. Rutherford odkrył, że promieniowanie emitowane przez uran jest znacznie bardziej złożone niż wcześniej sądzono. Wkrótce zaczął rozumieć pojęcie promieniotwórczości, która stała się jego głównym zainteresowaniem, a tym samym dziełem jego życia. W 1898 r. odkrył, że atomy promieniotwórcze, a w jego badaniach były to 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 następnych lat naukowcy skupiali się na badaniu promieniowania alfa i beta. Oprócz pracy naukowej, wraz z J.J. Thompsonem mógł uczestniczyć w spotkaniach Royal Society i British Association. Dało mu to możliwość podzielenia się wynikami badań i zademonstrowania swojego talentu, a także pozostawiło trwały ślad na Uniwersytecie w Cambridge.
Przeczytaj także: biografie-pl – Ethelred II Bezradny
Badania i osiągnięcia w szkołach wyższych
Uniwersytet McGill, Montreal, Kanada (1898-1907)
Uniwersytet w Manchesterze, Anglia (1907-19)
Uniwersytet w Cambridge, Laboratorium Cavendisha, Anglia (1919-1937)
W 1898 r. Rutherford przyjął posadę profesora na Uniwersytecie McGill w Montrealu w Kanadzie (1898-1907). Uniwersytet dysponował dobrze wyposażonymi laboratoriami, więc Rutherford przeniósł się za ocean. Do pomocy w badaniach zatrudnił młodego chemika, Fredericka Soddy”ego, oraz studentkę Harriet Brooks, która została jego asystentką. Z ich pomocą odkrył tajemnicę rozpadu promieniotwórczego: atomy niektórych pierwiastków ulegają spontanicznemu rozpadowi 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 tempo rozpadu atomów uranu, można określić wiek minerałów. Datowanie radioaktywne próbek gleby jest do dziś ważnym elementem badań geologicznych. W wyniku badań nad rozpadem pierwiastków ciężkich opracowano pojęcie czasu połowicznego rozpadu, czyli czasu, w którym połowa jąder atomowych substancji promieniotwórczej rozpada się na inne jądra atomowe.
W latach 1902-1903 Rutherford i Soddy opracowali teorię rozpadu jako wyjaśnienie radioaktywności, co jest uważane za największe osiągnięcie Rutherforda na Uniwersytecie McGill. W alchemii i teorii pierwiastków przejściowych uważano, że atomy są stabilne, ale Rutherford i Soddy twierdzili, że energia promieniotwórcza pochodzi z wnętrza atomu i że spontaniczna emisja cząstek alfa i beta oznacza przemianę chemiczną atomów z jednego pierwiastka w drugi. Przytłaczające dowody z badań eksperymentalnych uciszyły wątpiących. Rutherford uważał, że cząstka alfa jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do tej przemiany chemicznej ze względu na jej konkretną masę. Zidentyfikował dodatni ładunek na cząstce alfa, ale nie potrafił jeszcze określić, czy jest to jon wodoru czy helu.
W czasie pracy na Uniwersytecie McGill Rutherford przyjmował coraz więcej studentów, w tym kobiety, których w tamtym czasie było niewiele na uczelni. Była cenionym mówcą i dziennikarzem. W 1900 r. został wybrany na członka Royal Society of Canada, a w 1903 r. na członka Royal Society of London. W tym okresie napisał też najważniejsze podręczniki dotyczące promieniotwórczości. Jego pierwsza książka Radioaktywność została opublikowana w 1904 r. Otrzymał stypendia, medale i wiele ofert pracy. W 1908 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za badania nad rozpadem pierwiastków i wyniki badań chemicznych nad substancjami promieniotwórczymi. Zdumiony Rutherford często powtarzał przyjaciołom, że najszybszą zmianą, jaką zna, jest jego przejście z fizyka na chemika.
W 1900 r. Rutherford wrócił na krótko do Nowej Zelandii, aby poślubić swoją ukochaną Mary Newton. W 1901 r. urodziło się ich jedyne dziecko, Eileen. W 1905 r. para odwiedziła Nową Zelandię, aby odnowić więzi z rodziną.
Rutherford nigdy nie chciał długo pozostawać w miejscu i często miał w głowie nowe, alternatywne możliwości. W Ameryce Północnej istniało dobre środowisko naukowe, ale centrum fizyki ziemskiej znajdowało się w Europie. Anglia znów go przyciągnęła. Anglia znajdowała się bliżej głównych ośrodków naukowych i miała więcej i lepszych absolwentów. W 1907 r. Rutherford otrzymał propozycję objęcia stanowiska dyrektora Uniwersytetu w Manchesterze, którą przyjął.
Na Uniwersytecie w Manchesterze Rutherford 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. Cząstką alfa był atom helu pozbawiony elektronów. Chciał jednak uzyskać lepsze dowody na poparcie swoich ustaleń i wraz z zespołem badawczym przeprowadził kilka nowych eksperymentów. Wraz z Hansem Geigerem Rutherford opracował detektor elektryczny, „elektrometr”, służący do wykrywania zjonizowanych cząstek. Dzięki temu instrumentowi mógł wyznaczyć ważne doświadczalnie stałe fizyczne, w tym stałą Avogadro. Później Geiger wraz z Waltherem Mϋllerem skonstruował przyrząd do pomiaru promieniotwórczości – rurkę Geigera (Mϋllera), która do dziś jest uniwersalnym przyrządem do pomiaru promieniotwórczości. Pod kierunkiem Geigera Rutherford zlecił swojemu młodemu studentowi Ernestowi Madsenowi zmierzenie względnej liczby cząstek alfa w odniesieniu do kąta rozpraszania oraz ustalenie, czy promieniowanie alfa zostanie odbite od metali (znane obecnie jako eksperyment Rutherforda). Madsen stwierdził, że część promieniowania alfa została odbita od metali, a nawet bezpośrednio od cienkiej warstwy złota. Wynik ten nieco zaskoczył nawet Rutherforda. Na podstawie tych wyników w 1911 r. doszedł do wniosku, że prawie cała masa atomu jest skupiona w jego maleńkim jądrze, które jest 1000 razy mniejsze od samego atomu, a więc większa część atomu to pusta przestrzeń. Znaleziono jądro atomu. To drugie wielkie odkrycie Rutherforda zapewniło mu trwałą sławę. W 1912 r. duński fizyk Niels Bohr odwiedził laboratorium Rutherforda, a rok później udowodnił znaczenie odkryć Rutherforda. Bohr udowodnił, że radioaktywność ma swoje źródło w jądrze atomu, a właściwości chemiczne w elektronach krążących wokół jądra. Wykorzystał kwantową ideę Rutherforda do stworzenia orbitalnego modelu elektronów w atomie. W ten sposób powstał nowy model atomu. Modele atomowe Rutherforda i Bohra są nadal obecne w dzisiejszych podręcznikach chemii i fizyki. Ponadto, rozpraszanie Rutherforda jest nadal wykorzystywane do wspomagania urządzeń mikroelektronicznych służących do wykrywania cząstek jądrowych i orbitali atomowych.
W roku wybuchu I wojny światowej (1914-1918) Rutherford został pasowany na rycerza. W czasie wojny prowadził badania dla rządu, opracowując akustyczne metody wykrywania okrętów podwodnych. Informacje te zostały następnie przekazane Amerykanom. Jednocześnie bezskutecznie próbował przekonać młodych naukowców, że lepiej będzie wykorzystać ich do rozwoju i badań nad wyzwaniami wojennymi, niż pozwolić, by ich życie i talent naukowy zostały zniszczone w okopach. Pod koniec wojny w 1917 r. Rutherford powrócił do praktyki atomistyki. Bombardując lekkie atomy promieniowaniem alfa, Rutherford zauważył, że wyrzucane cząstki mają wyższą energię niż promieniowanie alfa i domyślił się, że są to jądra wodoru (protony H+). Na podstawie tej obserwacji doszedł do wniosku, że bombardowanie spowodowało jednoczesną przemianę atomów azotu w atomy tlenu. Udało mu się zatem wykorzystać cząstki alfa (He2+) do przekształcenia pierwiastka w inny pierwiastek w wyniku reakcji jądrowej. Rutherford stał się w ten sposób pierwszym na świecie alchemikiem, który odniósł sukces, i pierwszym, który rozszczepił jądro atomowe, co zapewniło mu trwałą sławę naukową. Wyniki te zostały opublikowane po wojnie w 1919 r.
Po wojnie w 1919 r. powrócił do swoich uniwersyteckich korzeni badawczych i miał zaszczyt objąć stanowisko profesora fizyki eksperymentalnej w Cambridge oraz dyrektora Laboratorium Cavendisha, zastępując słynnego Sir J.J. Thomsona. Jego czas pochłaniały także obowiązki administracyjne, więc nie miał już tyle czasu, by skoncentrować się na badaniach, co wcześniej.
Rutherford zaprosił Jamesa Chadwicka, studenta z Manchesteru, by dołączył do niego w Cavendishu i kontynuował wspólne badania. W eksperymentach laboratoryjnych bombardowali lekkie atomy promieniowaniem alfa, powodując zmiany w ich strukturze, ale nie udało im się przeniknąć promieniowaniem alfa do jąder cięższych pierwiastków. Wzajemne ładunki między promieniowaniem alfa a jądrami cięższych atomów zdawały się odpychać od siebie. Ponadto nie udało się ustalić, czy cząstka alfa została odbita z powrotem, czy też połączyła się z jądrem i i tak została zbombardowana. W końcu, pod koniec lat 20. ubiegłego wieku, postępy w dziedzinie ekotechnologii umożliwiły rozwiązanie tych kwestii. Tymczasem w pierwszym dziesięcioleciu pracy jako profesor uniwersytecki i dyrektor laboratorium Rutherford skupiał się głównie na tworzeniu pierwszorzędnych grup badawczych. Okazał się humanitarnym i wspierającym liderem, który dbał o to, by studenci mogli uznać wyniki badań, nad którymi sprawował opiekę. Na uniwersytecie prowadził kampanię na rzecz przyznania kobietom takich samych praw jak mężczyznom.
W 1925 r. Rutherford po raz ostatni odbył podróż do Australii i Nowej Zelandii. Podczas sześciotygodniowego pobytu w Nowej Zelandii wygłosił kilka wykładów publicznych. Gdziekolwiek wykładał, spotykał się z pełnym szacunku przyjęciem. Sale były pełne ludzi, którzy chcieli posłuchać, jak opowiada o budowie atomu. Rutherford oświadczył, że zawsze był dumny z tego, że jest Nowozelandczykiem. Wyraził swoje poparcie dla edukacji i badań naukowych oraz zalecił prowadzenie badań naukowych, które przyniosłyby korzyści rolnikom. Dzięki jego wsparciu w Nowej Zelandii utworzono Instytut Badań Naukowych i Przemysłowych w 1926 r. Podczas pobytu w Nowej Zelandii spędził również czas na wspieraniu swoich schorowanych rodziców.
Jedyna córka Rutherfordów, Eileen, wyszła za mąż za Ralpha Fowlera, fizyka matematycznego z Cavendish Laboratory. Mieli czworo dzieci, z których wszystkie były dobrze wykształcone. Smutek spadł na rodzinę Rutherfordów, gdy Eileen zmarła na zakrzep 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 samego roku Rutherford została mianowana baronetem, baronem Rutherford of Nelson, ale zaszczyt ten został przyćmiony smutkiem z powodu śmierci córki.
Wraz z rozwojem technologii lata trzydzieste XX wieku były złotym okresem dla zespołów badawczych Rutherforda. W 1932 r. James Chadwick odkrył neutron, dowodząc, że jądro składa się z protonów i neutronów. Rutherford przewidział istnienie neutronu dekadę wcześniej i pokierował 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, rozpędzonymi do bardzo dużych prędkości przez akcelerator wysokiego napięcia. Atom litu rozpadł się na dwie cząstki alfa. Za swoją pracę w 1951 r. otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Po wynalezieniu komory chmurowej (przez angielskiego fizyka Charlesa Wilsona, laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1927 r.) uzyskano wizualne dowody na to, co faktycznie dzieje się w zderzeniach. Angielski fizyk Patrick Blackett wykorzystał komorę chmurową do zbadania 400 000 zderzeń cząstek alfa i stwierdził, że większość z nich to zwykłe zderzenia sprężyste. Niektóre z tych zderzeń doprowadziły jednak do rozpadu. W nich promieniowanie alfa przenika przez jądro jonu docelowego, po czym jądro rozpada się na dwa jony. Był to bardzo ważny krok w zrozumieniu reakcji jądrowych. Za swoje wyniki Blackett otrzymał w 1948 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Pod kierunkiem Rutherforda rozpoczęła się wielka era nauki. Wiele lat wcześniej Rutherford założył, że przeniknięcie do jądra atomu wymaga cząstek przyspieszonych o kilka milionów woltów, aby dorównać energii cząstek usuniętych z atomu promieniotwórczego. W tym celu przez lata naciskał na przemysł swojego kraju, aby opracował źródła wysokiego napięcia. Jednak George Gamow i Norman Feather w ramach własnych badań dokonali odkrycia, które wykazało, że cząstki o niższej energii skuteczniej przenikają do jądra atomu. Rutherford zlecił budowę niskonapięciowego akceleratora cząstek o znacznie lepszym przepływie cząstek. Dzięki temu Gilbert Lewis mógł eksperymentować z cięższym wodorem, deuterem i trytem, oraz lekkim helem (He-3). W rezultacie w 1932 r. Rutherford, australijski fizyk Mark Oliphant i niemiecki chemik Paul Harteck współpracowali w celu uzyskania pierwszej reakcji syntezy jądrowej. W wyniku bombardowania deuteronu (2H) deuteronami (2H+) powstaje tryt (3H). Rutherford miał nadzieję, że rozszczepienie jądra atomowego, które może efektywnie uwalniać energię z uranu, nie zostanie odkryte, dopóki ludzie nie będą mogli żyć w harmonii ze swoimi sąsiadami. Udało się to jednak dopiero kilka lat po jego śmierci.
Przeczytaj także: biografie-pl – Wilhelm I Hohenzollern
Epilog
Rutherford miał kilka zainteresowań poza nauką, głównie golfem i motoryzacją. Był liberałem, ale nie udzielał się politycznie, choć był członkiem Rady Doradczej Rządowego Instytutu Badań Naukowych i Przemysłowych oraz przewodniczącym Rady Pomocy Naukowej.
W ciągu swojego życia Rutherford otrzymał wiele nagród naukowych i doktoratów honoris causa w wielu krajach, a także stypendia od wielu towarzystw i organizacji. Jego imieniem nazwano kilka budynków, pojawił się na znaczkach pocztowych w czterech różnych krajach oraz na banknotach Nowej Zelandii. Na jego cześć nazwano pierwiastek rutherfordium.
Rutherford zmarł w Cambridge w wieku 66 lat 19 października 1937 r. z powodu powikłań po operacji przepukliny i został pochowany w Opactwie Westminsterskim w Londynie. Lady Rutherford dożyła sędziwego wieku w rodzinnej Nowej Zelandii, w Christchurch, gdzie zmarła w 1954 roku.
„To było prawie tak niewiarygodne, jak bombardowanie bibuły 15-calowymi pociskami, które odbijają się i trafiają we mnie”. (Rutherford powiedział, że jego eksperyment był wynikiem badań, które doprowadziły do odkrycia jądra atomowego).
Przeczytaj także: biografie-pl – Echnaton
Publikacje
Źródła
