Ernest Rutherford
gigatos | március 22, 2022
Összegzés
Ernest Rutherford, First Baron of Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (1871. augusztus 30. Spring Grove, Új-Zéland – 1937. október 19. Cambridge, Anglia, Egyesült Királyság) új-zélandi születésű brit fizikus.
Rutherford már gyermekkorától kezdve lehetőséget kapott az oktatásra, és ezt ki is használta tanulmányai sikeréhez. Még diákként saját kutatásokat végzett, és posztgraduális hallgatóként felvették első kutatócsoportjába az angliai Cambridge-i Egyetemen. Ez volt a fizikus radioaktivitás kutatásának kezdete. Ezek egész életében a világ különböző egyetemein folytatódtak, és jelentős eredményeket hoztak.
A fizika nagy felfedezései közül neki tulajdonítják az atommag felfedezését a ma Rutherford-kísérletként ismert kísérletben. Tanulmányozta a radioaktivitást, és elsőként vezette be az alfa-, béta- és gammasugárzás fogalmát. Rutherford volt az első, aki felfedezte, hogy a radioaktív anyagok fele állandó idő alatt bomlik el (felezési idő). Rutherford fedezte fel a protont is, és feltételezte a töltés nélküli részecskék, a neutronok létezését az atomban. Rutherford 1908-ban kémiai Nobel-díjat kapott a radioaktív elemek kémiájával kapcsolatos kutatásaiért.
Ernest 1871. augusztus 30-án született az új-zélandi Spring Grove-ban. Ernest apja, James Rutherford és anyja, Martha Thompson a 19. század közepén vándoroltak ki szüleikkel Új-Zélandra, apja, James Skóciából 4 éves korában, anyja, Martha pedig Angliából 13 éves korában. Ernest középosztálybeli családba született. Különböző források szerint apja életében földművesként és lenfeldolgozóként dolgozott, és saját fűrészmalmot üzemeltetett, ahol a fiatal Ernest is sokat dolgozott. Ernestet keményen dolgozó, jó műszaki ismeretekkel rendelkező emberek vették körül. Apja különböző malmok gépeit és alkatrészeit is javította és karbantartotta. Édesanyja tanítónő volt, aki minden gyermekét megtanította írni és olvasni. A Rutherford családban 12 gyermek született, öt lány és hét fiú. Ernest volt a negyedik gyermek és a második legidősebb fiú. Ernest három testvére csecsemőkorában halt meg, egy születésekor, kettő pedig sajnos vízbe fulladt egy családi kiránduláson. Ez vezetett Ernest édesanyja depressziójához, amelyből soha életében nem gyógyult ki.
Tanulmányi évek
1887-ben, második próbálkozásra a 15 éves Ernest elnyerte a Marlborough Board of Education ösztöndíját a Nelson College magán középiskolába. Elköltözött otthonról, és sikeresen tanult minden tantárgyból, különösen matematikából és természettudományokból. Tanulmányai alatt lelkes rögbijátékos volt. Miután 1890-ben – szintén második próbálkozásra – Ernestnek sikerült ösztöndíjat nyernie a Christchurch-i Canterbury College-ba, a négy új-zélandi egyetem egyikébe. Canterburyben Rutherfordnak szerencséje volt, hogy briliáns professzorok tanították, akik valóban felkeltették érdeklődését a tudományos kutatás iránt. Hároméves tanulmányai során latint, franciát és matematikát tanult. 1892-ben matematikából, alkalmazott matematikából, latinból, angolból, franciából és fizikából szerzett diplomát (Bachelor of Arts). Kiváló eredményeinek köszönhetően ösztöndíjat kapott egyéves posztgraduális tanulmányokra („Honours” év). Ez alatt a további egy év alatt Rutherford úr geológia és kémia szakon szerzett alapdiplomát. Emellett további matematikai és fizikai tanulmányokat folytatott, miközben önálló kutatásokat végzett, elsősorban az elektromosság és a mágnesesség elméletével foglalkozott. Fő kutatási területe ekkoriban a nagyfrekvenciás mágneses indukció, valamint a vas és az acél mágneses viszkozitása volt, amelyekről első publikációit is ő jelentette meg. Kutatásai során néhány új fizikai eszközt is kifejlesztett, köztük egy gyors áramimpulzusok detektorát. Ez idő tájt ismerkedett meg és szeretett bele Mary Newtonba, annak a lakásnak a tulajdonosának a lányába, ahol tanult.
Posztgraduális egyetemi hallgatóként
Az egyetem után Rutherford célja az volt, hogy az angliai Cambridge-i Egyetem Cavendish Laboratóriumának kutatója legyen. Kívánsága szerencsére teljesült, amikor James Maclaurin, az egyik másik pályázó visszautasította az állást, mert nem értett egyet az ösztöndíj feltételeivel. Így Rutherford Új-Zélandról Angliába utazott, és ő lett az első posztgraduális, aki Cambridge-en kívül végzett (1895-98). Így Rutherford a Cambridge-i Egyetem Cavendish Laboratóriumában, J. J. Thompson professzor kutatócsoportjában kezdte meg kutatómunkáját. Ambiciózus végzős diákként ő volt az első, aki sikeresen továbbította és fogadta az elektromágneses hullámokat. Kutatásai során sikerült elektromágneses hullámokat fél mérföldes távolságra továbbítania, ami akkoriban világrekordnak számított. Amellett, hogy Rutherford kimutatta, hogy egy oszcilláló kisülés mágnesezi a vasat, felfedezte, hogy egy mágnesezett tű váltakozó áram által keltett mágneses térben elveszíti mágnesességét. Ezáltal a tű az elektromágneses sugárzás érzékelőjévé vált, amit Heinrich Hertz német fizikus ugyanebben az időben fedezett fel laboratóriumában. Rutherford eredményei egyszerűbbek voltak, és nagyobb kereskedelmi potenciállal rendelkeztek. Amikor Rutherford hallott a német Wilhelm Röntgen által a röntgensugarak felfedezéséről, J. J. Thompson kérésére örömmel kezdett hozzá, hogy tanulmányozza a röntgensugarak hatását az elektromosság gázokban való vezetésére. Thompson és Rutherford vizsgálatai az ionizáció, azaz az atomok és molekulák pozitív és negatív részekre (ionokra) való bomlásának, valamint e töltött részecskék ellentétes elektródákhoz való vonzódásának megfigyeléséhez vezettek. Rutherford kutatásai középpontjában az iontermelő sugárzás, az ultraibolya sugárzás és az urán által kibocsátott sugárzás állt. Rutherford felfedezte, hogy az urán által kibocsátott sugárzás sokkal összetettebb, mint korábban gondolták. Hamarosan kezdte megérteni a radioaktivitás fogalmát, ami fő érdeklődési körévé vált, és így életművévé. 1898-ban felfedezte, hogy a radioaktív atomok – kutatásaiban az uránatomok – kétféle sugárzást bocsátanak ki. Ő nevezte el őket alfa (α) és béta (β) sugárzásnak. Nagyon hamar kiderült, hogy a béta-sugárzás gyors elektronok. Ezt követően a tudósok néhány évig az alfa- és béta-sugárzás tanulmányozására összpontosították figyelmüket. A kutatómunka mellett J. J. Thompsonnal együtt részt vehetett a Royal Society és a British Association ülésein. Ez lehetőséget adott neki, hogy megossza kutatási eredményeit és megmutassa tehetségét, és maradandó nyomot hagyott a Cambridge-i Egyetemen.
Kutatás és eredmények az egyetemeken
McGill Egyetem, Montreal, Kanada (1898-1907)
University of Manchester, Anglia (1907-19)
Cambridge-i Egyetem, Cavendish Laboratórium, Anglia (1919-1937)
1898-ban Rutherford elfogadta a kanadai Montrealban található McGill Egyetem professzori állását (1898-1907). Az egyetem jól felszerelt laboratóriumokkal rendelkezett, ezért Rutherford átköltözött az óceánon. Egy fiatal vegyészt, Frederick Soddyt vett fel, hogy segítse őt a kutatásában, és egy végzős hallgatót, Harriet Brooksot, mint asszisztenst. Segítségükkel bebizonyította a radioaktív bomlás rejtélyét: egyes elemek atomjai spontán módon könnyebb elemek atomjaira bomlanak. Ez volt pályafutásának egyik áttörése. Miután felfedezte, hogy az urán végső bomlásterméke az ólom, Rutherford rájött, hogy az ásványokban lévő urán és ólom relatív arányának és az uránatomok bomlási sebességének mérésével meg lehet határozni az ásványok korát. A talajminták radioaktív kormeghatározása ma is fontos része a geológiai kutatásoknak. A nehézelemek bomlásának tanulmányozása nyomán alakult ki a felezési idő fogalma, vagyis az az idő, amely alatt egy radioaktív anyag atommagjainak fele más atommagokra bomlik.
1902 és 1903 között Rutherford és Soddy kidolgozta a radioaktivitás magyarázataként a bomlás elméletét, amelyet Rutherford legnagyobb eredményének tartanak a McGill Egyetemen. Az alkímia és az átmeneti elemek elméletében az atomokat stabilnak tekintették, de Rutherford és Soddy azt állította, hogy a radioaktív energia az atomból származik, és hogy az alfa- és béta-részecskék spontán kibocsátása jelzi az atomok kémiai átalakulását egyik elemből a másikba. A kísérleti tanulmányokból származó elsöprő bizonyítékok elnyomták a kétkedőket. Rutherford úgy vélte, hogy az alfa-részecske a főszereplője ennek a kémiai változásnak, mivel az alfa-részecske konkrét tömege miatt. Az alfa-részecskén pozitív töltést azonosított, de még nem tudta megállapítani, hogy hidrogén- vagy héliumionról van-e szó.
A McGill Egyetemen töltött ideje alatt Rutherford egyre több kutatóhallgatót vett fel, köztük nőket is, akikből akkoriban kevés volt az egyetemen. Keresett előadó és újságíró volt. 1900-ban a Kanadai Királyi Társaság, 1903-ban pedig a Londoni Királyi Társaság tagjává választották. Ebben az időszakban írta a radioaktivitás legfontosabb tankönyveit is. Első könyve, a Radioaktivitás 1904-ben jelent meg. Ösztöndíjakat, kitüntetéseket és számos állásajánlatot kapott. Később, 1908-ban kémiai Nobel-díjat kapott az elemek bomlásával kapcsolatos kutatásaiért és a radioaktív anyagokkal kapcsolatos kémiai eredményeiért. A zavart Rutherford gyakran mondta barátainak, hogy az általa ismert leggyorsabb változás a fizikusból vegyésszé válás volt.
1900-ban Rutherford rövid időre visszatért Új-Zélandra, hogy feleségül vegye szerelmét, Mary Newtont. Egyetlen gyermekük, Eileen 1901-ben született. A házaspár 1905-ben Új-Zélandra látogatott, hogy felújítsák a családjukkal való kapcsolatot.
Rutherford sosem akart sokáig mozdulatlanul maradni, és gyakran új alternatív lehetőségek jártak a fejében. Észak-Amerikának jó tudományos közössége volt, de a földi fizika központja Európában volt. Anglia ismét vonzotta őt. Anglia közelebb volt a tudomány fő központjaihoz, és több és jobb diplomás hallgatóval rendelkezett. 1907-ben, amikor Rutherfordnak felajánlották a Manchesteri Egyetem vezetői posztját, elfogadta azt.
Az első világháború kitörésének évében (1914-1918) Rutherfordot lovaggá ütötték. A háború alatt a kormány számára végzett kutatásokat, tengeralattjárók felderítésére szolgáló akusztikai módszereket fejlesztett ki. Ezt az információt aztán megosztották az amerikaiakkal. Ugyanakkor sikertelenül próbálta meggyőzni a fiatal tudósokat arról, hogy jobb lenne őket a háborús kihívások fejlesztésére és kutatására használni, mint hogy életüket és tudományos tehetségüket a lövészárkokban pusztítsák el. A háború vége felé, 1917-ben Rutherford visszatért az atomtudomány gyakorlatához. Miközben könnyű atomokat bombázott alfa-sugárzással, Rutherford észrevette, hogy a kilövellt részecskék energiája nagyobb, mint az alfa-sugárzásé, és arra tippelt, hogy a részecskék hidrogénmagok (protonok H+). E megfigyelés alapján arra a következtetésre jutott, hogy a bombázás során a nitrogénatomok egyidejűleg oxigénatomokká alakultak át. Sikerült tehát alfa-részecskék (He2+) segítségével egy elemet egy másik elemmé alakítani egy magreakció eredményeként. Rutherford lett így a világ első sikeres alkimistája, és az első, aki felhasította az atommagot, ami maradandó tudományos hírnévre tett szert. Ezeket az eredményeket a háború után, 1919-ben tették közzé.
A háború után, 1919-ben visszatért egyetemi kutatói gyökereihez, és az a megtiszteltetés érte, hogy a híres Sir J. J. Thomson utódjaként betölthette a cambridge-i kísérleti fizika professzori és a Cavendish Laboratórium igazgatói posztját. Most már az adminisztratív feladatok is lekötötték az idejét, így már nem volt annyi ideje a kutatásra koncentrálni, mint korábban.
Rutherford meghívta James Chadwicket, egy manchesteri egyetemi hallgatót, hogy csatlakozzon hozzá Cavendishben, és folytassák közös kutatásukat. Laboratóriumi kísérletekben könnyű atomokat bombáztak alfa-sugárzással, ami változásokat okozott a szerkezetükben, de a nehezebb elemek magjaiba nem tudtak alfa-sugárzással behatolni. Úgy tűnt, hogy az alfasugárzás és a nehezebb atomok magjai közötti kölcsönös töltések taszítják egymást. Ezenkívül azt sem tudták megállapítani, hogy az alfa-részecske visszaverődött-e, vagy egyesült az atommaggal, és így is bombázták. Végül az 1920-as évek végén az ökotechnológia fejlődése lehetővé tette e kérdések megoldását. Eközben Rutherford első évtizedében egyetemi tanárként és laboratóriumigazgatóként első osztályú kutatócsoportok létrehozására összpontosított. Humánus és támogató vezetőnek bizonyult, aki gondoskodott arról, hogy a diákok elismerést kapjanak az általa mentorált kutatásokért. Az egyetemen azért kampányolt, hogy a nőknek ugyanazok a jogaik legyenek, mint a férfiaknak.
1925-ben Rutherford utoljára utazott Ausztráliába és Új-Zélandra. Hathetes új-zélandi látogatása során több nyilvános előadást tartott. Bárhol tartott előadást, tiszteletteljes fogadtatásban részesült. A termek zsúfolásig megteltek emberekkel, akik az atom szerkezetéről akarták hallani. Rutherford kijelentette, hogy mindig is büszke volt arra, hogy új-zélandi. Kifejezte, hogy támogatja az oktatást és a kutatást, és javasolta, hogy olyan tudományos kutatásokat végezzenek, amelyek a gazdák javát szolgálják. Támogatásának eredményeként 1926-ban Új-Zélandon létrehozták a Tudományos és Ipari Kutatási Intézetet. Új-Zélandon tett látogatásai során beteg szüleinek támogatására is fordított időt.
Rutherfordék egyetlen lánya, Eileen Ralph Fowlerhez, a Cavendish Laboratórium matematikai fizikusához ment feleségül. Négy gyermekük született, akik mindannyian magasan képzettek voltak. Szomorúság érte a Rutherford családot, amikor Eileen 1930-ban, mindössze 29 éves korában, kilenc nappal legkisebb gyermeke születése után és mindössze két nappal 1930 karácsonya előtt vérrögben meghalt. 1930 újév napján Rutherfordot báróvá avatták, Rutherford of Nelson bárójává, de ezt a megtiszteltetést beárnyékolta lánya halála miatti szomorúság.
A technológia fejlődésével az 1930-as évek Rutherford kutatócsoportjainak aranykora volt. 1932-ben James Chadwick felfedezte a neutront, és kimutatta, hogy az atommag protonokból és neutronokból áll. Rutherford már egy évtizeddel korábban megjósolta a neutron létezését, és Chadwicket azzal irányította kutatásaiban, hogy megmondta neki, milyen tulajdonságokkal kell rendelkeznie a neutronnak. Ugyanebben az évben John Cockcroftnak és Ernest Waltonnak sikerült a lítiumatomot felhasítani úgy, hogy egy nagyfeszültségű gyorsító által nagyon nagy sebességre gyorsított protonokkal, a hidrogénatom magjaival bombázták. A lítiumatom két alfa-részecskére hasadt. Munkájukért később, 1951-ben fizikai Nobel-díjat kaptak.
A felhőkamra feltalálása után (Charles Wilson angol fizikus, fizikai Nobel-díjas 1927-ben) vizuális bizonyítékot szereztek arról, hogy mi is történik valójában az ütközések során. Patrick Blackett angol fizikus 400 000 alfa-részecske ütközést vizsgált a felhőkamrában, és megállapította, hogy ezek többsége közönséges rugalmas ütközés volt. Néhány ütközés azonban bomlást eredményezett. Ezekben az alfasugárzás behatolt a célion magjába, majd a mag két részre hasadt. Ez nagyon fontos lépés volt a nukleáris reakciók megértésében, és Blackett 1948-ban fizikai Nobel-díjat kapott eredményeiért. Rutherford vezetésével nagy tudományos korszak kezdődött. Évekkel korábban Rutherford azt feltételezte, hogy az atommag áthatolásához néhány millió voltra felgyorsított részecskékre lenne szükség, amelyek energiája megegyezik a radioaktív atomból eltávolított részecskék energiájával. Ennek érdekében évekig sürgette országa iparát, hogy fejlesszen ki nagyfeszültségű áramforrásokat. George Gamow és Norman Feather azonban saját kutatásaik során olyan felfedezést tettek, amely kimutatta, hogy az alacsonyabb energiájú részecskék hatékonyabban hatolnak be az atommagba. Rutherford megrendelt egy kisfeszültségű részecskegyorsítót, amely sokkal jobb részecskeáramlással rendelkezett. Ennek eredményeként Gilbert Lewis kísérletezhetett nehezebb hidrogénnel, deutériummal és tríciummal, valamint könnyű héliummal (He-3). Ennek eredményeként 1932-ben Rutherford, Mark Oliphant ausztrál fizikus és Paul Harteck német kémikus együttműködve megvalósította az első fúziós reakciót. A deutériumot (2H) deuteronokkal (2H+) bombázták, hogy tríciumot (3H) hozzanak létre. Rutherford remélte, hogy az uránból hatékonyan energiát felszabadító maghasadást nem fedezik fel addig, amíg az emberek nem tudnak harmóniában élni szomszédaikkal. Ez azonban csak néhány évvel a halála után valósult meg.
Epilógus
Rutherfordot a tudományon kívül néhány dolog is érdekelte, elsősorban a golf és az autózás. Liberális volt, de politikailag nem volt aktív, bár tagja volt a Kormányzati Tudományos és Ipari Kutatóintézet tanácsadó testületének és elnöke az Akadémiai Segédtanácsnak.
Rutherford élete során számos tudományos díjat és tiszteletbeli doktori címet kapott számos országban, valamint számos társaság és szervezet ösztöndíját. Számos épületet neveztek el róla, és négy különböző ország postabélyegén, valamint új-zélandi bankjegyeken is szerepelt. Az ő tiszteletére nevezték el a rutherfordium elemet.
Rutherford 1937. október 19-én, 66 éves korában, Cambridge-ben halt meg sérvműtét szövődményei következtében, és a londoni Westminster apátságban temették el. Lady Rutherford idős korára szülőföldjén, Új-Zélandon, Christchurchben vonult vissza, ahol 1954-ben halt meg.
„Majdnem olyan hihetetlen volt, mintha 15 hüvelykes lövedékekkel bombáznának selyempapírt, amelyek visszapattantak volna és eltaláltak volna engem.” (Rutherford azt mondta, hogy az ő kísérlete volt az eredménye annak a kutatásnak, amely az atommag felfedezéséhez vezetett.)
Kiadványok
Cikkforrások
