Ernest Rutherford
gigatos | januar 30, 2022
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 forskningsgruppe som postgraduate studerende på University of Cambridge i England. Dette var begyndelsen på fysikerens forskning i radioaktivitet. Disse fortsatte gennem hele hans liv på forskellige universiteter rundt om i verden, hvor han opnåede store resultater.
Blandt de store opdagelser inden for fysikken er han kendt for opdagelsen af atomkernen i et eksperiment, der i dag er kendt som Rutherford-eksperimentet. Han studerede radioaktivitet og var den første til at indføre 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 protonerne 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 meget. 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 lærer 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 påskønnelse 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 de skoler på landet, 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.
Læs også, biografier-da – Tizian
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 New Zealandske universiteter. På Canterbury var Rutherford 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 fik han en bachelor 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 hr. Rutherford en bachelor i geologi og kemi. Han studerede også yderligere matematik og fysik, mens han udførte uafhængig forskning, hovedsagelig med fokus på teorien om elektricitet og magnetisme. Hans vigtigste forskning på det tidspunkt var højfrekvent magnetisk induktion og magnetisk viskositet i jern og stål, som han også udgav sine første artikler om. I løbet af sin forskning udviklede han også nogle nye fysiske apparater, herunder en detektor til 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.
Læs også, civilisationer-da – Mogulriget
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. Så Rutherford forlod New Zealand for at tage til England og blev den første postgraduate, der tog sin eksamen uden for Cambridge (1895-98). Rutherford begyndte således sit forskningsarbejde med professor J.J. Thompsons forskningsgruppe på Cavendish Laboratory, University of Cambridge. Som ambitiøs kandidatstuderende var han den første, der havde succes med at sende og modtage elektromagnetiske bølger. I sin forskning lykkedes det ham at overføre 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 skabt 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 enklere og havde større kommercielt potentiale. Da Rutherford hørte om tyskeren Wilhelm Røntgens opdagelse af røntgenstråler, var han glad for at gå videre med at studere røntgenstrålernes virkning på ledningen af elektricitet i gasser efter anmodning fra J.J. Thompson. Thompson og Rutherfords undersøgelser førte til observationen af ionisering, opsplitning af atomer og molekyler i positive og negative dele (ioner) og tiltrækning af disse ladede partikler 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 meget 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 det sig, at betastråling var hurtige elektroner. I flere år derefter koncentrerede forskerne deres opmærksomhed om at studere alfa- og betastråling. Ud over sit forskningsarbejde kunne han og J.J. Thompson deltage i møder i Royal Society og British Association. Det gav ham mulighed for at dele sine forskningsresultater og vise sit talent, og han satte et varigt præg på universitetet i Cambridge.
Læs også, biografier-da – Desmond Tutu
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 accepterede Rutherford et professorat ved McGill University i Montreal, Canada (1898-1907). Universitetet havde veludstyrede laboratorier, så Rutherford flyttede 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 atomkerner 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 alkymien og teorien om overgangselementer blev atomerne anset for at være stabile, men Rutherford og Soddy hævdede, at radioaktiv energi kom indefra atomerne, og at den spontane emission af alfa- og betapartikler markerede den kemiske omdannelse af atomer fra et element til et andet. De overvældende beviser fra eksperimentelle undersøgelser fik skeptikerne til at gå i stå. Rutherford mente, at alfapartiklen var den vigtigste årsag til denne kemiske ændring 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 medlem 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 om radioaktivitet blev udgivet i 1904. Han fik 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 sine 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 studier, hvad han længe havde haft mistanke om. Alfapartiklen var et heliumatom uden dets elektroner. Han ønskede dog bedre beviser til at understøtte 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-eksperimentet). Madsen fandt ud af, 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 atomets masse er koncentreret i den lille kerne, som er 1.000 gange mindre end selve atomet, og at det meste af atomet derfor ville være tomt rum. Atomkernen var blevet fundet. Denne anden store opdagelse af Rutherford gav ham en varig berømmelse. I 1912 besøgte den danske fysiker Niels Bohr Rutherfords laboratorium og påviste et år senere betydningen af Rutherfords resultater. 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 af elektronerne i atomet. Der blev således skabt en ny atomar model. Rutherfords og Bohrs atommodeller findes stadig i de nuværende lærebøger i kemi og fysik. Rutherford-spredning bruges desuden stadig til at hjælpe mikroelektroniske anordninger, der bruges 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 videregivet til 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 lade deres liv og videnskabelige talent blive ødelagt i skyttegravene. Mod slutningen af krigen i 1917 vendte Rutherford tilbage til atomvidenskaben. Da Rutherford bombarderede lette atomer med alfastråling, bemærkede han, at de partikler, der blev skudt ud, havde en højere energi end alfastrålingen, og han gættede, at partiklerne var brintkerner (protoner H+). På baggrund af denne observation konkluderede han, at bombardementet samtidig havde omdannet nitrogenatomer til oxygenatomer. Det var således lykkedes ham at bruge alfapartikler (He2+) til at omdanne et grundstof til et andet grundstof som følge af 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 ikke at trænge ind i tungere elementers kerner 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 at blive bombarderet alligevel. I slutningen af 1920”erne gjorde fremskridt inden for økoteknologien det muligt at løse disse spørgsmål. I det første årti som universitetsprofessor og laboratoriedirektør fokuserede Rutherford i mellemtiden primært på at oprette førsteklasses forskningsgrupper. Han viste sig at være en human og støttende leder, der sørgede for, at de studerende fik anerkendelse for den forskning, 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. Hallerne var fyldt med mennesker, der ville høre ham tale om atomets opbygning. 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 gennemføres videnskabelig forskning til gavn for 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 hendes yngste barn og kun to dage før jul 1930. På 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 delt i to alfapartikler. Parret blev senere tildelt Nobelprisen i fysik for deres arbejde i 1951.
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 alfapartikelsammenstød og fandt ud af, at de fleste af dem var almindelige elastiske sammenstød. Nogle af kollisionerne resulterede dog i henfald. Her trængte alfastråling ind i målionens kerne, hvorefter kernen blev delt i to. Dette var et meget vigtigt skridt i forståelsen af atomreaktioner, 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 ville kræve partikler, der var accelereret med et par millioner volt for at kunne trænge ind i atomkernen, for at kunne matche energien af de partikler, der blev fjernet fra det radioaktive atom. Med henblik herpå pressede han i årevis på for at få landets 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 atomkernen. 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 lykkedes dog først få år efter hans død.
Læs også, biografier-da – Tiberius
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 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.)
Læs også, historie – Gregorianske kalender
Publikationer
Kilder
