Ernest Rutherford
gigatos | 31 tammikuun, 2022
Yhteenveto
Ernest Rutherford, paroni Nelson (Brightwater, 30. elokuuta 1871 – Cambridge, 19. lokakuuta 1937) oli Uudessa-Seelannissa syntynyt brittiläinen fyysikko, yksi atomifysiikan perustajista ja nimensä mukaisen atomimallin kehittäjä. Hän sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1908 radioaktiivisuuden alfa- ja beetasäteilyn löytämisestä.
Hän syntyi Uuden-Seelannin Eteläsaarella 12-lapsisen perheen neljäntenä lapsena. Hänen isänsä James Rutherford oli Skotlannista muuttanut maanviljelijä, ja hänen äitinsä Martha Thompson oli Englannista muuttanut opettaja. Perhe muutti pian viereiseen Foxhilliin, ja poika kävi siellä peruskoulua. Valmistuttuaan julkisesta koulusta hän sai 580 pistettä 600:sta mahdollisesta ja voitti stipendin yksityiseen Nelson Collegiate Schooliin, jossa hän menestyi erinomaisesti lähes kaikissa oppiaineissa, mutta oli kiinnostunut eniten (kymmenvuotiaasta lähtien) fysiikasta. Vuonna 1890 hän sai stipendin pääkaupungissa sijaitsevaan Canterbury Collegeen, joka oli Uuden-Seelannin Canterburyn yliopiston edeltäjä. 19-vuotiaana hän rakastui vuokralaisensa tyttäreen, Mary Newtoniin. Saatuaan kandidaatin tutkinnon hän suoritti maisterin tutkinnon vuonna 1893 stipendin turvin ja oli luokkansa ensimmäinen matematiikassa ja fysiikassa.
Hän kirjoitti väitöskirjansa siitä, miten rauta magnetoituu suurtaajuisten sähkömagneettisten aaltojen vaikutuksesta. Tuolloin tutkijat – Hertz itse mukaan luettuna – olivat yhtä mieltä siitä, että Hertzin oskillaattorin herättämät suurtaajuiset vaihtovirrat eivät magnetoi rautaa. Rutherford rakensi kuitenkin oman oskillaattorinsa yliopiston kosteaan kellarihuoneeseen ja osoitti nokkelalla kokeella, että yleinen uskomus oli väärä. Hän tajusi myös, että oikealla antennilla vastaanotettuja ja lankakäämiin syötettyjä radioaaltoja voitaisiin käyttää tuottamaan suurtaajuusvirtaa magnetoitujen neulojen nippuun, joka prosessin aikana hieman demagnetoitui. Väitöskirjansa ansiosta hän väitteli tohtoriksi sekä matematiikassa että fysiikassa, ja palkkioksi löydöksistään hän sai niin sanotun vuoden 1851 maailmannäyttelyn stipendin Cambridgen yliopistoon, jonne hän matkusti vuonna 1895 tekemään tutkimusta Cavendishin laboratoriossa. Englannin tunnetuinta fysiikan tutkimuslaboratoriota johti tuolloin Joseph John Thomson, joka myöhemmin sai Nobel-palkinnon. Ennen lähtöään hän kihlautui Mary Newtonin kanssa ja lupasi mennä tämän kanssa naimisiin heti, kun hänen tilanteensa Englannissa vakiintuu.
Cambridgeen saapuessaan hän oli jo rakentanut uudenlaisen herkän ilmaisimen, joka pystyi havaitsemaan radioaaltoja kaukaa – käytännössä ensimmäisen vastaanottimen, muutamaa kuukautta ennen Guglielmo Marconin keksintöä. Se onnistui luomaan radioyhteyden laboratorion ja kolmen kilometrin päässä sijaitsevan observatorion välille. Hän esitteli tuloksensa kokouksessa 18. kesäkuuta 1896 J.J. Thomsonin suosituksesta, joka arvosti niitä suuresti. Tästä tuli hänen kolmas julkaisunsa A magnetic detector of electrical waves and some of its applications.
Sillä välin monet fyysikot kiinnittivät huomiota kahteen tärkeään tapahtumaan: vuonna 1895, alle kaksi kuukautta Rutherfordin Cavendishiin saapumisen jälkeen, Wilhelm Conrad Röntgen löysi säteilyn, joka myöhemmin nimettiin hänen mukaansa, ja vuonna 1896 Henri Becquerel havaitsi, että uraaniyhdisteet säteilevät melko läpitunkevaa säteilyä itsestään ilman mitään toimenpiteitä.
Hän alkoi työskennellä näiden aiheiden parissa vuonna 1898. Hän pystyi erottamaan uraanista (ja toriumista) peräisin olevan kahdenlaista säteilyä, joita hän kutsui alfa- ja beetasäteilyksi. (Kun ranskalainen Paul Villard löysi kolmannen säteilylajin vuonna 1900, hän kutsui sitä Rutherfordin nimikkeistöä mukaillen gammasäteilyksi.) Rutherfordin mukaan hän oli myös löytänyt kolmannen säteilylajin. ) Vaikka hänellä oli hyvä ura, hän päätti lähteä laboratoriosta eksistentiaalisista syistä (hän halusi mennä naimisiin), koska hän ei nähnyt mitään etenemismahdollisuuksia.
Hänelle tarjottiin professuuria Kanadan Montréalissa sijaitsevasta McGill-yliopistosta (jonne kanadalaisen tupakkatukkukaupan lahjoituksella oli rakennettu huippuluokan fysiikan laboratorio ja perustettu uusia professuureja): ”McGill-yliopistolla on hyvä maine, viisisataa puntaa ei ole hullumpi summa, ja fysiikan laboratorio on maailman paras, joten minulla ei ole valittamista”, hän kirjoitti äidilleen.
Hän jatkoi kokeitaan Montrealissa vuoden 1898 lopusta lähtien ja julkaisi siellä tuloksensa. Hän ja hänen oppilaansa tekivät useita tärkeitä löytöjä. Yksi hänen kollegoistaan, Robert Bowie Owens, löysi kaasun, jota kutsuttiin ”toriumemanaatioksi” ja joka myöhemmin osoittautui radonin 220-isotoopiksi (220Rn) – löytö julkaistiin vuonna 1900. Se oli ensimmäinen radioaktiivinen aine, jonka säteily oli vähentynyt havaittavaan tasoon tuolloin käytettävissä olleilla välineillä. Rutherford osoitti vuonna 1900, että väheneminen oli eksponentiaalista, ja otti käyttöön puoliintumisajan käsitteen sen kuvaamiseksi. Vuosina 1900-1901 (suunnilleen samaan aikaan kuin Pierre Curie) hän laski radiumin lähettämän alfasäteilyn energian Robert Kenningin McClungin kanssa tekemien ionisaatiokokeiden perusteella.
Sillä välin hän matkusti kotiin Uuteen-Seelantiin naimisiin Mary Newtonin kanssa. Heidän ainoa tyttärensä Eileen syntyi vuonna 1901.
Palattuaan Montrealiin hän alkoi tehdä yhteistyötä kemisti Frederick Soddyn kanssa. Kävi ilmi, että ”toriumemissiota” ei tuotettu suoraan toriumista vaan välituotteesta, joka nimettiin väliaikaisesti ”torium-X:ksi”. Todettiin, että torium, ”torium-emanaatio” ja ”torium-X” (joka oli radium) olivat kolme erilaista kemiallista alkuaineita (muut toriumin hajoamissarjan jäsenet löysi yksi Rutherfordin oppilaista, Otto Hahn – toriumin työstäminen Montrealissa, muut hänen palattuaan Saksaan).
Hän tutki edelleen alfasäteilyä; hän onnistui poikkeuttamaan säteitä sekä sähkö- että magneettikentillä ja osoitti, että beetasäteily on ”kaikilta osin hyvin samankaltaista kuin katodisäteet”. Hän mittasi alfahiukkasten nopeuden (20 000 km).
Vuonna 1904 hän ehdotti, että radioaktiivinen lämmöntuotanto voisi olla syy siihen, miksi maapallo ei ollut jäähtynyt lordi Kelvinin laskemassa ajassa. Vuonna 1904 julkaistiin myös hänen ensimmäinen kirjansa Radioaktiivisuus, jossa hän teki yhteenvedon tutkimustuloksistaan. Hän toimi vierailevana professorina muun muassa New Havenin yliopistossa ja Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä. Vuosina 1903-1907 hänelle tarjottiin viittä professuuria eri amerikkalaisissa yliopistoissa, mutta hän ei hyväksynyt yhtäkään niistä. Montrealissa viettämiensä vuosien aikana hän julkaisi noin 50 tieteellistä artikkelia yksin tai yhdessä muiden kirjoittajien kanssa.
Vuonna 1905 Otto Hahn, tuolloin 26-vuotias, saapui Montréaliin työskennelläkseen Rutherfordin kanssa selvittääkseen, mitä ”radiothorium” (joka osoittautui radiumin isotoopiksi) oli ollut, jonka hän oli löytänyt hieman aiemmin. Yhteistyön tuloksena he ymmärsivät, että toriumista, radiumista ja aktiniumista syntyvät hiukkaset eivät eroa toisistaan tippaakaan. Tätä työtä jatkaen Rutherford tajusi vuonna 1908, että alfahiukkaset olivat itse asiassa sähköisesti varattuja heliumatomeja (eli heliumioneja). Hahn oli tuolloin (1906) jo matkustanut takaisin Saksaan.
Vuonna 1906 hän alkoi tutkia atomin sisäistä rakennetta. Jo vuonna 1903 hän oli onnistunut osoittamaan, että eri materiaaleja voidaan säteilyttää katodisesti (suurin osa atomin tilavuudesta on tyhjää tilaa – Lenardin vertausta käyttäen: kuutiometrin kiinteän platinan tila on yhtä tyhjä kuin tähtienvälinen avaruus). Rutherford päätti, että hän säteilyttäisi kohteita alfasäteillä (ei elektroneilla vaan heliumytimillä, vaikka tätä ei tuolloin vielä tiedetty) eikä beetasäteillä. Ohjaamalla hiukkaset kapean raon läpi hän sai aikaan melko ohuen säteen ja kirjasi sen jäljen valoherkälle paperille. Kun hän työnsi 0,003 mm paksun muskoviittilaatan säteen tielle, kuva oli epätarkka, mistä Rutherford päätteli aivan oikein, että alfahiukkaset hajosivat, kun ne kulkivat kiilteen läpi. Sirontakulma voi olla jopa 2 astetta, mikä on hyvin merkittävä arvo tämän impulssin omaavalle hiukkaselle. Rutherford laski, että sata miljoonaa V
Vuonna 1907 hänet kutsuttiin Langworthyn professoriksi Manchesterin yliopistoon (Manchesterin Victoria-yliopisto) optikko Arthur Schusterin jäätyä eläkkeelle. Hän hyväksyi kutsun ja muutti perheensä keväällä pysyvästi Englantiin. Hänen apulaisensa, nuori saksalainen Hans Geiger, auttoi häntä työssään suuresti, ja hän teki myöhemmin historiaa yhtenä hänen mukaansa nimetyn Geiger-Müller-laskimen keksijöistä. Geiger rakensi Manchesterissa ensimmäisen version ilmaisimesta, joka pystyi jo havaitsemaan yksittäisen alfahiukkasen vaikutuksen.
Lue myös, elamakerrat – Henrik IV (Englanti)
Ytimen löytäminen
Vuonna 1908 Rutherfordille myönnettiin Nobel-palkinto – hänen suureksi yllätyksekseen ei fysiikan vaan kemian alalla (palkintojen myöntämisessä ja tieteenalojen vaihdettavuudessa on mielenkiintoista se, että nykyisin atomifysiikaksi kutsuttua tieteenalaa ei edes tunnettu 1900-luvulla). Esimerkiksi Marie Curie sai vuonna 1911 myös Nobelin kemianpalkinnon radiumin ja poloniumin löytämisestä.) Manchesterin laboratoriossa Geiger ja hänen nuorempi oppilaansa Ernest Marsden ryhtyivät mittaamaan alfahiukkasten sirontaa ohuilla metallilevyillä. Hänen oli tehtävä tämä, koska hän halusi kokeellisesti todentaa mestarinsa J. J. Thomsonin vuonna 1904 ehdottaman ”luumupuddingin” atomimallin, jossa oletettiin, että negatiivisesti varautuneet elektronit olivat sulautuneet atomin positiiviseen sähköiseen väliaineeseen. Kiitospuheessaan hän kertoi muutamaa kuukautta aiemmin tekemästään havainnosta, jonka mukaan alfahiukkaset ovat itse asiassa helium-ytimiä. Hän osoitti tämän tavanomaisen tyylikkäällä kokeellaan: hän täytti sisäisen putken, jossa oli erittäin ohuet seinämät, jotka päästäisivät alfahiukkaset läpi, argon-kaasulla, joka lähettää tällaisia säteitä, ja asetti itse putken paksuseinäisen putken sisään pumppaamalla ilmaa ulos niin pitkälle kuin mahdollista. Muutaman päivän kuluttua ulommassa putkessa voitiin selvästi havaita heliumin spektri.
Vuonna 1909 hän osoitti, että alfahiukkaset muuttuvat heliumiksi absorboimalla elektroneja, mikä vahvisti Frederick Soddyn ja William Ramsayn väitteen, jonka mukaan helium syntyy radiumin muuttuessa.
Tämä myöhemmin Rutherfordin kokeena tunnettu mittaussarja oli perusta Rutherfordin toiselle huippusaavutukselle, atomiytimen löytämiselle. Nopeasti havaittiin, että suurin osa metallifolion läpi kulkevista hiukkasista muutti suuntaa vain vähän tai ei lainkaan, mutta pieni osa niistä muutti suuntaa merkittävästi (jopa täydellisesti), ikään kuin ne olisivat kimpoilleet kiinteistä kappaleista.
”Se oli uskomattomin asia, mitä minulle on koskaan tapahtunut”, hän kertoi myöhemmin siitä hetkestä, jolloin hän sai tietää kokeen tulokset, ”melkein kuin ampuisi viidentoista tuuman tykillä pehmopaperia ja luoti kimpoaisi takaisin”.
Hän oli melko vastahakoinen aloittamaan tiedon tulkitsemisen. Tärkein syy hänen vastahakoisuuteensa oli se, että uudet tiedot saivat hänet hylkäämään mestarinsa J. J. Thomsonin atomimallin.
Läpäisemättömän alueen oli oltava hyvin pieni verrattuna aineen kokonaistilavuuteen, mutta hyvin tiivis. Kävi myös ilmi, että heijastus ei ollut seurausta todellisesta törmäyksestä vaan sähköisestä hylkimisestä.
Rutherford laski, miten alfahiukkasten pitäisi hajota, jos suurin osa atomin massasta on suhteellisen pienellä, pallonmuotoisella alueella avaruudessa. Tämä on edelleen ”Rutherfordin sirontakaava”. Vuonna 1911 kokeet osoittivat kaavan oikeaksi, ja hän käytti sitä oman atomimallinsa perustana: Rutherfordin atomimallissa negatiivisesti varautuneet elektronit kiertävät positiivisesti varautunutta ydintä jollakin tuntemattomalla tavalla, kuten planeetat kiertävät Aurinkoa – mutta elektronit eivät pysy kiertoradalla painovoiman vaan positiivisesti varautuneen ytimen sähköisen vetovoiman ansiosta (niin että ytimen positiivinen varaus tasapainottuu elektronien negatiivisen varauksen kanssa). Tämä malli oli melko samanlainen kuin japanilaisen fyysikon Nagaoka Hantaron vuonna 1903 julkaisema niin sanottu Saturnuksen atomimalli, jossa elektronit kiertävät tasossa pienen ja massiivisen positiivisesti varautuneen ytimen ympärillä Saturnuksen renkaiden tavoin. Rutherford ei tuntenut Nagaokan mallia (vaikka hän tunsi Nagaokan henkilökohtaisesti) ja teki siksi samat virheet, jotka aikoinaan saivat tiedeyhteisön hylkäämään ”Saturnuksen” mallin:
Tätä mallia kehitti edelleen vuonna 1912 tanskalainen Niels Bohr, joka selvitti kvanttiteorian perusteella, miten aineen järjestely toimii.
Kuningas teki hänet ritariksi 1. tammikuuta 1914. Samana vuonna hän matkusti Australiaan konferenssiin, mutta sillä välin syttyi maailmansota, ja Rutherford pystyi palaamaan kotiin vain pitkän kiertomatkan kautta Uuden-Seelannin (jossa hän luennoi Christchurchin yliopistossa), Tyynenmeren, Kanadan ja Atlantin kautta. Sodan aikana hän ei jatkanut ydinfysiikan tutkimusta, vaan työskenteli sen sijaan saksalaisten sukellusveneiden havaitsemiseen tarkoitetun salakuuntelulaitteen kehittämiseksi. Hän johti brittiläisten ja ranskalaisten tutkijoiden ryhmää Yhdysvaltoihin koordinoimaan työtään valtameren molemmin puolin.
Vuonna 1919 se toteutti ensimmäisen keinotekoisen itsemuunnoksen. Hän työskenteli yksinkertaisilla koelaitteilla ja käytti pommiammuksina luonnollisten radioaktiivisten aineiden lähettämiä alfahiukkasia. Joskus nämä helium-ytimet osuivat typpiytimeen ja fuusioituivat sen kanssa, jolloin vetyydin eli protoni irtosi. Wilsonin tähtisumun kuvissa alfahiukkasten kiertoradat hajosivat typen ytimeen osumisen jälkeen lyhyeen ja paksuun haaraan sekä pitkään ja ohueen haaraan. Hiukkanen, jolla oli pitkä jälki, osoittautui protoniksi ja hiukkanen, jolla oli lyhyt jälki, 17O-ytimeksi.
Kun J. J. Thomson päätti jäädä eläkkeelle tietämättä Rutherfordin sodanjälkeisistä saavutuksista, hän kutsui hänet seuraajakseen. Niinpä Rutherford palasi Cavendishin laboratorion johtajaksi, jossa hän oli aloittanut uransa. Siellä työskenteli joukko hyvin koulutettuja ja lahjakkaita fyysikkoja, kuten James Chadwick, Ch. D. Ellis, F. W. Aston, P. M. S. Blackett ja myöhemmin J. D. Cockroft, E. T. S. Walton ja Pjotr Kapica. Seuraavina vuosina he onnistuivat muuntamaan useiden muiden alkuaineiden ytimiä pommittamalla niitä alfahiukkasilla. Tulokset julkaistiin Philosophical Magazine -lehdessä.
Vuonna 1920 hän epäili, että on oltava vielä yksi hiukkanen – tämä johti neutronin löytämiseen. Laboratorion johtajana hän keskittyi kuitenkin vähemmän omaan tutkimukseensa ja enemmän nuorten kollegoidensa auttamiseen ja heidän tulostensa hallintaan. Hän on myös pitänyt lukuisia luentoja ulkomailla ja kotimaassa, erilaisissa tieteellisissä järjestöissä. Hän toimi myös eri tehtävissä, muun muassa Royal Societyn presidenttinä vuosina 1925-1930.
Neljännen lapsensa syntymän jälkeen 23. joulukuuta 1930 hänen tyttärensä Eileen kuoli veritulppaan.
Tammikuun 1. päivänä 1931 hänestä tehtiin Nelsonin paroni Rutherford (Nelsonin, Uuden-Seelannin ja Cambridgen lordi). Hänen vaakunassaan on kiivi, maori ja kaksi toisiaan leikkaavaa käyrää, joista jälkimmäinen viittaa hänen ensimmäiseen merkittävään löytöönsä radioaktiivisten aineiden hajoamisesta ja muuntumisesta.
Cavendishin laboratoriossa tehtiin 1930-luvun alkupuolella useita suuria löytöjä, ja Rutherford johti laboratoriota, ja hänen muihin yhteiskunnallisiin sitoumuksiinsa kuului muun muassa vastaperustetun akateemisen avustuskomitean johtaminen, joka järjesti Saksasta pakenevien juutalaisten vastaanoton Hitlerin vallankaappauksen jälkeen.
Kesällä 1937 julkaistiin hänen viimeinen kirjansa, Uusi alkemia, joka oli yhteenveto hänen tiedoistaan alkuaineiden muuntamisesta. Hänen oli tarkoitus matkustaa samana talvena Intiaan kongressiin, mutta 14. lokakuuta hän sairastui yllättäen ja joutui sairaalaan. Hänet leikattiin sijoiltaan menneen tyrän vuoksi, mutta hän kuoli suolistotulehduksen aiheuttamaan verenmyrkytykseen. Hänet on haudattu Westminster Abbeyyn Isaac Newtonin ja Kelvinin läheisyyteen.
Hän oli vahva, vahva mies; ensimmäiset vuodet isänsä pentulaatikossa olivat uuvuttaneet hänet. Lontooseen päästyään hän ei pitkään aikaan päässyt eroon siirtomaataustaiseen syntyperäänsä liittyvästä alemmuuskompleksista, joka teki hänestä ujon, epävarman ja sulkeutuneen. Nuorena miehenä hänellä oli myös taloudellisia vaikeuksia. Tämä johti siihen, että hän yritti markkinoida keksintöjään melko päällekäyvästi, mikä aiheutti mielipahaa hänen brittiläissyntyisten ja enimmäkseen varakkaiden brittiläisten kollegojensa keskuudessa.
Kun hän oli vakiinnuttanut asemansa ja hänestä oli tullut kiistaton auktoriteetti, hänen persoonallisuutensa suora ja röyhkeä osa tuli esiin. Hän hallitsi keskusteluja, hänen äänensä kantautui käytäville – eräs hänen oppilaistaan kutsui häntä ”päälliköksi”. Toisinaan hän vaelsi laboratorioissa huutaen ja laulaen väärennettyä laulua ”Eteenpäin, kristityt sotilaat”. Hän oli nyt varma itsestään ja paikastaan maailmassa; hänen vatsansa paisui. Hän kohteli oppilaitaan rauhallisesti, nöyrästi ja holhoavasti. Chaim Weizmann, jonka kanssa hän ystävystyi, kuvaili häntä myöhemmin näin:
”Hän oli nuori, elinvoimainen ja vahva. Olisi voinut luulla, että hän oli kaikkea muuta kuin tiedemies. Hän pystyi puhumaan innokkaasti mistä tahansa, usein ilman, että hänellä oli aavistustakaan aiheesta. Kun hän tuli ruokasaliin lounaalle, hänen ystävällinen, jyrisevä äänensä kuului jo kaukaa… hän oli mukava mies, mutta hänellä oli vaikeuksia hölmöjen kanssa.” Hän osti itselleen nopeasti talon, ja siitä tuli todella onnellinen paikka: lauantaisin ja sunnuntaisin hän söi päivällistä, ja sunnuntaisin hänen ystävänsä ja oppilaansa kokoontuivat teelle – teetä seurasi usein ajelu Cheshiren teillä. Talossa ei ollut alkoholia, koska Mary Rutherford paheksui sitä, ja tupakointia suvaittiin vain siksi, että hänen miehensä oli kova tupakoitsija – hän poltti savukkeita ja piippuja.
Hänestä tuli tiukasti pidättyväinen talousarvioasioissa: hän ei hyväksynyt tukia teollisuudelta tai yksityishenkilöiltä. Hän oli vakuuttunut siitä, että koelaitteet voitaisiin aina koota ”narun ja tiivistevahan” menetelmällä – hän osoittautui erittäin kekseliääksi niiden suunnittelussa ja rakentamisessa. James Chadwickin mukaan hän oli ”ihmeellinen nero”, joka onnistui säilyttämään uteliaan luonteensa myös suuren menestyksen aikana. C. P. Snow”n mukaan ”yksikään tiedemies ei ole tehnyt vähemmän virheitä” kuin hän, ja ”ainoa kerta, jolloin hänen erehtymätön intuitionsa epäonnistui kummallisella tavalla”, oli vuonna 1933, jolloin hän julkisesti ilmoitti, että vaikka atomiytimestä voitaisiin vapauttaa energiaa, se ei olisi koskaan taloudellisesti mahdollista teollisessa mittakaavassa.
Hän ei ottanut vastaan ”ulkopuolisia” töitä ja odotti, että hänen henkilökuntansa tekisi samoin. Kun hänen oppilaansa Pjotr Kapicka halusi toimia sopimuskonsulttina eräässä yrityksessä, Rutherford teki selväksi, ettei hän voinut palvella sekä Jumalaa että mammonaa.
Lue myös, elamakerrat – Ahmad al-Mansur
Englanniksi
lähteet
