Ernest Rutherford
gigatos | januari 26, 2022
Sammanfattning
Ernest Rutherford, First Baron of Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30 augusti 1871 Spring Grove, Nya Zeeland – 19 oktober 1937 Cambridge, England, Storbritannien) var en brittisk fysiker född i Nya Zeeland.
Rutherford fick möjlighet till utbildning redan från barndomen och utnyttjade den för att lyckas med sina studier. Han bedrev egen forskning redan som student och blev antagen till sin första forskargrupp som doktorand vid universitetet i Cambridge i England. Detta var början på fysikerns forskning om radioaktivitet. Detta fortsatte under hela hans liv vid olika universitet runt om i världen och ledde till stora framgångar.
Bland de stora upptäckterna inom fysiken kan nämnas att det är hans förtjänst att han upptäckte atomkärnan i ett experiment som nu är känt som Rutherford-experimentet. Han studerade radioaktivitet och var den förste som introducerade begreppen alfa-, beta- och gammastrålning. Rutherford var den förste som upptäckte att hälften av det radioaktiva materialet sönderfaller under en konstant tid (halveringstid). Rutherford upptäckte också protonen och antog att det fanns oladdade partiklar, neutroner, i atomen. Rutherford tilldelades Nobelpriset i kemi 1908 för sin forskning om radioaktiva grundämnen.
Ernest föddes i Spring Grove, Nya Zeeland, den 30 augusti 1871. Ernests far, James Rutherford, och mor, Martha Thompson, hade båda emigrerat med sina föräldrar till Nya Zeeland i mitten av 1800-talet, far James från Skottland vid fyra års ålder och mor Martha från England vid 13 års ålder. Ernest föddes i en medelklassfamilj. Enligt olika källor arbetade hans far som lantbrukare och linmjölare under sin livstid och drev ett eget sågverk, där den unge Ernest också arbetade flitigt. Ernest var omgiven av hårt arbetande människor med goda tekniska färdigheter. Hans far reparerade och underhåller också maskiner och delar till olika fabriker. Hans mor var lärare och lärde alla sina barn att läsa och skriva. Familjen Rutherford fick 12 barn, fem flickor och sju pojkar. Ernest var det fjärde barnet och den näst äldsta sonen. Tre av Ernests bröder dog som barn, en vid födseln och två av dem drunknade tyvärr på en familjeutflykt. Detta ledde till att Ernests mor fick en depression som hon aldrig återhämtade sig från under sin livstid.
Rutherfords barn fick alla en god utbildning eftersom deras föräldrar värderade utbildning högt. Föräldrarnas uppskattning berodde på att pappa James aldrig fick möjlighet till detta, medan mamma Martha fick det. Hans mor trodde att ”all kunskap är makt”. Ernest tillbringade sin skoltid i skolorna på landsbygden där han bodde fram till 1886 (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Han fick sin första vetenskapliga bok från skolan när han var 10 år gammal. Samma år byggde Rutherford sin egen miniatyrkanon, som lyckligtvis exploderade utan att orsaka några skador.
Läs också: mytologi – Romersk religion
År av studier
År 1887, på sitt andra försök, fick 15-årige Ernest ett stipendium från Marlborough Board of Education till Nelson College, en privat gymnasieskola. Han flyttade hemifrån och studerade framgångsrikt i alla ämnen, särskilt matematik och naturvetenskap. Under studietiden var han en ivrig rugbyspelare. Efter att ha slutat skolan 1890 lyckades Ernest, återigen på sitt andra försök, få ett stipendium till Canterbury College i Christchurch, ett av fyra nyzeeländska universitet. På Canterbury hade Rutherford turen att undervisas av lysande professorer som verkligen fick honom att intressera sig för vetenskaplig forskning. Under sin treåriga utbildning studerade han latin, franska och matematik. År 1892 tog han examen (Bachelor of Arts) i matematik, tillämpad matematik, latin, engelska, franska och fysik. Tack vare sina utmärkta betyg fick han ett stipendium för ett års forskarstudier (”Honours”-år). Under detta extra år slutförde Rutherford en kandidatexamen i geologi och kemi. Han studerade också matematik och fysik och bedrev oberoende forskning, främst inom teorin om elektricitet och magnetism. Hans huvudsakliga forskning vid den tiden gällde högfrekvent magnetisk induktion och magnetisk viskositet hos järn och stål, som han också publicerade sina första artiklar om. Under sin forskning utvecklade han också några nya fysikaliska anordningar, bland annat en detektor för snabba strömpulser. Det var vid den här tiden som han träffade och blev förälskad i Mary Newton, dotter till ägaren till lägenheten där han studerade.
Läs också: historia-sv – Reconquista
Forskning och prestationer vid universiteten
McGill University, Montreal, Kanada (1898-1907)
University of Manchester, England (1907-19)
University of Cambridge, Cavendish Laboratory, England (1919-1937)
År 1898 accepterade Rutherford en professur vid McGill University i Montreal, Kanada (1898-1907). Universitetet hade välutrustade laboratorier, så Rutherford flyttade över havet. Han rekryterade en ung kemist, Frederick Soddy, för att hjälpa honom i sin forskning och en doktorand, Harriet Brooks, som hans assistent. Med deras hjälp visade han på mysteriet med radioaktivt sönderfall: atomer av vissa grundämnen sönderfaller spontant till atomer av lättare grundämnen. Detta var ett av hans karriärs genombrott. Efter att ha upptäckt att uranets sista sönderfallsprodukt är bly, insåg Rutherford att genom att mäta de relativa proportionerna av uran och bly i mineraler och uranatomernas sönderfallshastighet kunde man bestämma åldern på mineralerna. Radioaktiv datering av jordprover är fortfarande en viktig del av den geologiska forskningen. Som ett resultat av studier av tunga grundämnenas sönderfall utvecklades begreppet halveringstid, dvs. den tid det tar för hälften av atomkärnorna i ett radioaktivt ämne att sönderfalla till andra atomkärnor.
Mellan 1902 och 1903 utvecklade Rutherford och Soddy teorin om sönderfall som en förklaring till radioaktivitet, vilket anses vara Rutherfords största bedrift vid McGill University. I alkemin och övergångselementsteorin ansågs atomer vara stabila, men Rutherford och Soddy hävdade att radioaktiv energi kom inifrån atomen och att den spontana emissionen av alfa- och betapartiklar markerade den kemiska omvandlingen av atomer från ett grundämne till ett annat. De överväldigande bevisen från experimentella studier gjorde att tvivlarna blev tysta. Rutherford trodde att alfapartikeln var den största bidragande faktorn till denna kemiska förändring på grund av alfapartiklarnas konkreta massa. Han identifierade en positiv laddning på alfapartikeln, men kunde ännu inte avgöra om det var en väte- eller heliumjon.
Under sin tid vid McGill University tog Rutherford emot fler och fler forskarstudenter, inklusive kvinnor, som det fanns få av vid universitetet vid den tiden. Hon var en efterfrågad talare och journalist. Han valdes till ledamot av Royal Society of Canada 1900 och av Royal Society of London 1903. Han skrev också de viktigaste läroböckerna om radioaktivitet under denna period. Hans första bok Radioaktivitet publicerades 1904. Han fick stipendier, medaljer och många jobberbjudanden. Senare, 1908, fick han Nobelpriset i kemi för sin forskning om elementens nedbrytning och sina kemiska resultat om radioaktiva ämnen. En förvirrad Rutherford berättade ofta för sina vänner att den snabbaste förändring han kände till var hans övergång från fysiker till kemist.
År 1900 återvände Rutherford för en kort tid till Nya Zeeland för att gifta sig med sin älskade Mary Newton. Deras enda barn Eileen föddes 1901. Paret besökte Nya Zeeland 1905 för att förnya banden med sina familjer.
Rutherford ville aldrig sitta still länge och han hade ofta nya alternativa möjligheter i åtanke. Nordamerika hade ett bra vetenskapligt samhälle, men centrum för den terrestriska fysiken låg i Europa. England lockade honom igen. England låg närmare de viktigaste vetenskapscentrumen och hade både fler och bättre doktorander. När Rutherford 1907 erbjöds posten som chef för universitetet i Manchester tackade han ja.
Vid universitetet i Manchester inriktade Rutherford sin forskning på alfa-, beta- och gammastrålning och hur dessa typer av strålning kunde ge nya insikter om atomernas natur. Han överlät radiokemin till andra forskare och återvände till fysiken. Rutherford lyckades med sina fysikaliska studier bevisa vad han länge hade misstänkt. Alfapartikeln var en heliumatom utan elektroner. Han ville dock ha bättre bevis för sina slutsatser och utförde flera nya experiment tillsammans med sitt forskarlag. Tillsammans med Hans Geiger utvecklade Rutherford en elektrisk detektor, ”elektrometern”, för att upptäcka joniserade partiklar. Med detta instrument kunde han bestämma experimentellt viktiga fysikaliska konstanter, däribland Avogadrokonstanten. Senare färdigställde Geiger tillsammans med Walther Mϋller ett instrument för att mäta radioaktivitet, Geiger-(Mϋller)-röret, som än idag är ett universellt instrument för att mäta radioaktivitet. Rutherford gav under Geigers ledning sin unge student Ernest Madsen i uppdrag att mäta det relativa antalet alfapartiklar i förhållande till spridningsvinkeln och avgöra om någon alfastrålning skulle reflekteras tillbaka från metallerna (nu känt som Rutherford-experimentet). Madsen fann att en del av alfastrålningen reflekterades tillbaka från metallerna och även direkt tillbaka från den tunna guldfilmen. Detta resultat förvånade till och med Rutherford en aning. Utifrån dessa resultat drog han 1911 slutsatsen att nästan all massa i en atom är koncentrerad till den lilla kärnan, som är 1 000 gånger mindre än själva atomen, och att större delen av atomen därför skulle vara tomt utrymme. Atomkärnan hade hittats. Rutherfords andra stora upptäckt gav honom en bestående berömmelse. År 1912 besökte den danske fysikern Niels Bohr Rutherfords laboratorium och ett år senare visade han betydelsen av Rutherfords resultat. Bohr bevisade att radioaktivitet uppstår i atomkärnan och kemiska egenskaper i elektronerna som kretsar runt kärnan. Han använde Rutherfords kvantidéer för att skapa en orbitalmodell av elektronerna i atomen. På så sätt skapades en ny atommodell. Rutherfords och Bohrs atommodeller finns fortfarande kvar i dagens läroböcker i kemi och fysik. Dessutom används Rutherfordspridning fortfarande för att hjälpa mikroelektroniska apparater som används för att upptäcka kärnpartiklar och atomära banor.
Under det år då första världskriget (1914-1918) bröt ut, blev Rutherford adlad. Under kriget forskade han för regeringen och utvecklade akustiska metoder för att upptäcka ubåtar. Denna information delades sedan med amerikanerna. Samtidigt försökte han utan framgång övertyga unga forskare om att det skulle vara bättre att använda dem för att utveckla och forska om krigsutmaningar än att deras liv och vetenskapliga talang skulle förstöras i skyttegravarna. Mot slutet av kriget 1917 återvände Rutherford till atomvetenskapen. När Rutherford bombarderade lätta atomer med alfastrålning märkte han att de partiklar som kastades ut hade en högre energi än alfastrålningen och gissade att partiklarna var vätekärnor (protoner H+). Utifrån denna observation drog han slutsatsen att bombningen samtidigt hade omvandlat kväveatomer till syreatomer. Han hade alltså lyckats använda alfapartiklar (He2+) för att omvandla ett grundämne till ett annat grundämne genom en kärnreaktion. Rutherford blev därmed världens första framgångsrika alkemist och den förste som delade kärnan, vilket ledde till ett bestående vetenskapligt rykte. Dessa resultat publicerades efter kriget 1919.
Efter kriget 1919 återvände han till sina rötter inom universitetsforskningen och fick äran att bli professor i experimentell fysik i Cambridge och chef för Cavendish Laboratory, efter den berömde Sir J. J. Thomson. Hans tid gick nu också åt till administrativa uppgifter, så han hade inte längre lika mycket tid att koncentrera sig på forskning som tidigare.
Rutherford bjöd in James Chadwick, en doktorand från Manchester, till Cavendish för att fortsätta den gemensamma forskningen. I laboratorieförsök bombarderade de lätta atomer med alfastrålning och orsakade förändringar i deras struktur, men misslyckades med att penetrera kärnorna i tyngre grundämnen med alfastrålning. De ömsesidiga laddningarna mellan alfastrålningen och kärnorna i de tyngre atomerna tycktes stöta bort varandra. Dessutom kunde de inte avgöra om alfapartikeln reflekterades tillbaka eller om den gick samman med kärnan för att ändå bli bombarderad. Så småningom, i slutet av 1920-talet, gjorde framsteg inom ekotekniken det möjligt att lösa dessa frågor. Under sitt första decennium som universitetsprofessor och laboratoriechef fokuserade Rutherford främst på att inrätta förstklassiga forskargrupper. Han visade sig vara en human och stödjande ledare som såg till att studenterna fick ta åt sig äran för den forskning som han handledde. Vid universitetet kämpade han för att kvinnor skulle få samma rättigheter som män.
År 1925 reste Rutherford för sista gången till Australien och Nya Zeeland. Under sitt sexveckorsbesök i Nya Zeeland höll han flera offentliga föreläsningar. Överallt där han föreläste fick han ett respektfullt mottagande. Salarna var fulla av människor som ville höra honom tala om atomens struktur. Rutherford förklarade att han alltid varit stolt över att vara nyzeeländare. Han uttryckte sitt stöd för utbildning och forskning och rekommenderade att vetenskaplig forskning som skulle gynna jordbrukarna genomförs. Som ett resultat av hans stöd inrättades ett institut för vetenskaplig och industriell forskning i Nya Zeeland 1926. Under sitt besök i Nya Zeeland ägnade han också tid åt att stödja sina sjuka föräldrar.
Rutherfords enda dotter Eileen var gift med Ralph Fowler, en matematisk fysiker vid Cavendish Laboratory. De fick fyra barn, som alla var välutbildade. Familjen Rutherford drabbades av sorg när Eileen dog av en blodpropp 1930, bara 29 år gammal, nio dagar efter det yngsta barnets födelse och bara två dagar före jul 1930. På nyårsdagen samma år blev Rutherford utnämnd till baronet, Baron Rutherford of Nelson, men denna ära överskuggades av sorgen över dotterns död.
I takt med att tekniken utvecklades var 1930-talet guldåldern för Rutherfords forskargrupper. År 1932 upptäckte James Chadwick neutronen och visade att kärnan består av protoner och neutroner. Rutherford hade förutspått neutronens existens ett decennium tidigare och han vägledde Chadwick i sin forskning genom att tala om för honom vilka egenskaper neutronen borde ha. Samma år lyckades John Cockcroft och Ernest Walton klyva litiumatomen genom att bomba den med protoner, väteatomens kärnor, som accelererades till mycket höga hastigheter av en högspänningsaccelerator. Litiumatomen delades i två alfapartiklar. Paret fick senare Nobelpriset i fysik för sitt arbete 1951.
Efter uppfinningen av molnkammaren (av den engelske fysikern Charles Wilson, som fick Nobelpriset i fysik 1927) fick man visuella bevis på vad som faktiskt hände i kollisioner. Den engelske fysikern Patrick Blackett använde molnkammaren för att studera 400 000 alfapartikelkollisioner och fann att de flesta av dem var vanliga elastiska kollisioner. En del av kollisionerna resulterade dock i sönderfall. I dessa strålningar tränger alfastrålning in i måljonens kärna, varefter kärnan delas i två delar. Detta var ett mycket viktigt steg i förståelsen av kärnreaktioner och Blackett tilldelades Nobelpriset i fysik 1948 för sina resultat. En stor vetenskaplig epok hade börjat under Rutherfords ledning. Flera år tidigare hade Rutherford antagit att det för att penetrera atomkärnan skulle krävas partiklar som accelererats med några miljoner volt för att motsvara energin hos de partiklar som avlägsnats från den radioaktiva atomen. I åratal pressade han därför landets industri att utveckla högspänningskällor. George Gamow och Norman Feather gjorde dock i sin egen forskning en upptäckt som visade att partiklar med lägre energi var effektivare när det gällde att tränga in i atomkärnan. Rutherford beställde en lågspänningsaccelerator med ett mycket bättre partikelflöde. Gilbert Lewis kunde därför experimentera med tyngre väte, deuterium och tritium, och lätt helium (He-3). 1932 samarbetade Rutherford, den australiensiske fysikern Mark Oliphant och den tyske kemisten Paul Harteck för att åstadkomma den första fusionsreaktionen. De bombarderade deuterium (2H) med deuteroner (2H+) för att producera tritium (3H). Rutherford hoppades att kärnklyvning, som effektivt kunde frigöra energi från uran, inte skulle upptäckas förrän människorna kunde leva i harmoni med sina grannar. Detta skedde dock först några år efter hans död.
Läs också: historia-sv – Tredje franska republiken
Epilog
Rutherford hade några intressen vid sidan av vetenskapen, främst golf och bilkörning. Han var liberal men inte politiskt aktiv, även om han var medlem av den rådgivande nämnden för Government Institute for Scientific and Industrial Research och ordförande för Academic Auxiliary Council.
Under sin livstid fick Rutherford många vetenskapliga utmärkelser och hedersdoktorat i många länder samt stipendier från många sällskap och organisationer. Flera byggnader har uppkallats efter honom och han har figurerat på frimärken i fyra olika länder och på Nya Zeelands sedlar. Grundämnet rutherfordium har fått sitt namn till hans ära.
Rutherford dog i Cambridge vid 66 års ålder den 19 oktober 1937 av komplikationer till följd av en bråckoperation och begravdes i Westminster Abbey i London. Lady Rutherford drog sig tillbaka till sin ålderdom i sitt hemland Nya Zeeland i Christchurch, där hon dog 1954.
Läs också: biografier – Mark Twain
Publikationer
Källor
