Ernest Rutherford

Delice Bette | Ottobre 25, 2022

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Riassunto

Ernest Rutherford, Primo Barone di Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30 agosto 1871 Spring Grove, Nuova Zelanda – 19 ottobre 1937 Cambridge, Inghilterra, Regno Unito) è stato un fisico britannico nato in Nuova Zelanda.

Rutherford ha avuto l”opportunità di essere istruito fin dall”infanzia e l”ha sfruttata per avere successo negli studi. Ha svolto ricerche personali mentre era ancora studente ed è stato accettato nel suo primo gruppo di ricerca come studente post-laurea all”Università di Cambridge, in Inghilterra. Questo fu l”inizio delle ricerche del fisico sulla radioattività. Queste attività sono proseguite per tutta la vita in varie università del mondo, producendo importanti risultati.

Tra le grandi scoperte della fisica, gli viene attribuita la scoperta del nucleo atomico in un esperimento oggi noto come esperimento di Rutherford. Studiò la radioattività e fu il primo a introdurre i termini radiazione alfa, beta e gamma. Rutherford fu il primo a scoprire che la metà del materiale radioattivo decade in un tempo costante (tempo di dimezzamento). Rutherford scoprì anche il protone e ipotizzò l”esistenza di particelle non cariche, i neutroni, nell”atomo. Rutherford ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1908 per le sue ricerche sulla chimica degli elementi radioattivi.

Ernest nacque a Spring Grove, in Nuova Zelanda, il 30 agosto 1871. Il padre di Ernest, James Rutherford, e la madre, Martha Thompson, erano entrambi emigrati con i genitori in Nuova Zelanda a metà del XIX secolo, il padre James dalla Scozia all”età di 4 anni e la madre Martha dall”Inghilterra all”età di 13 anni. Ernest è nato in una famiglia della classe media. Secondo varie fonti, il padre lavorò come agricoltore e mugnaio di lino durante la sua vita e gestì una propria segheria, dove anche il giovane Ernest lavorò a lungo. Ernest era circondato da persone che lavoravano sodo e con buone competenze tecniche. Il padre si occupava anche della riparazione e della manutenzione di macchinari e parti di ricambio per vari mulini. Sua madre era un”insegnante che insegnava a tutti i suoi figli a leggere e scrivere. La famiglia Rutherford ebbe 12 figli, cinque femmine e sette maschi. Ernest era il quarto figlio e il secondo figlio maggiore. Tre dei fratelli di Ernest morirono in età infantile, uno alla nascita e due furono purtroppo annegati durante una gita di famiglia. Questo portò la madre di Ernest alla depressione, dalla quale non si riprese mai durante la sua vita.

I figli dei Rutherford ricevettero tutti una buona istruzione perché i genitori tenevano molto all”istruzione. L”apprezzamento dei genitori è dovuto al fatto che il padre James non ha mai avuto l”opportunità, mentre la madre Martha sì. Sua madre credeva che “ogni conoscenza è potere”. Ernest trascorse gli anni scolastici nelle scuole di campagna del luogo in cui viveva fino al 1886 (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Ha ricevuto il suo primo libro di scienze a scuola all”età di 10 anni. Nello stesso anno, Rutherford costruì il suo cannone in miniatura, che fortunatamente esplose senza causare alcun danno.

Anni di studio

Nel 1887, al secondo tentativo, il quindicenne Ernest ottenne una borsa di studio del Marlborough Board of Education per il Nelson College, una scuola secondaria privata. Si allontana da casa e studia con successo in tutte le materie, soprattutto matematica e scienze. Durante gli studi è stato un appassionato giocatore di rugby. Dopo aver lasciato la scuola nel 1890, sempre al secondo tentativo, Ernest riuscì a ottenere una borsa di studio per il Canterbury College di Christchurch, una delle quattro università neozelandesi. A Canterbury, Rutherford ebbe la fortuna di essere istruito da professori brillanti che lo appassionarono alla ricerca scientifica. Durante la laurea triennale ha studiato latino, francese e matematica. Nel 1892 si laureò (Bachelor of Arts) in matematica, matematica applicata, latino, inglese, francese e fisica. Grazie ai suoi ottimi voti, ha ottenuto una borsa di studio per un anno di studi post-laurea (anno “Honours”). Durante questo anno supplementare, il sig. Rutherford ha conseguito un Bachelor of Science in Geologia e Chimica. Ha inoltre approfondito gli studi di matematica e fisica, svolgendo al contempo attività di ricerca indipendente, concentrandosi soprattutto sulla teoria dell”elettricità e del magnetismo. In quel periodo le sue ricerche principali riguardavano l”induzione magnetica ad alta frequenza e la viscosità magnetica del ferro e dell”acciaio, su cui pubblicò anche i primi articoli. Durante le sue ricerche ha anche sviluppato alcuni nuovi dispositivi fisici, tra cui un rivelatore di impulsi di corrente veloce. In quel periodo conobbe e si innamorò di Mary Newton, la figlia del proprietario dell”appartamento in cui studiava.

Come studente universitario post-laurea

Dopo l”università, l”ambizione di Rutherford era quella di diventare ricercatore presso il Cavendish Laboratory dell”Università di Cambridge, in Inghilterra. Il suo desiderio fu fortunatamente esaudito quando James Maclaurin, uno degli altri candidati, rifiutò il posto perché non accettava i termini della borsa di studio. Così Rutherford lasciò la Nuova Zelanda per l”Inghilterra e divenne il primo post-laurea a laurearsi al di fuori di Cambridge (1895-98). Rutherford iniziò così il suo lavoro di ricerca con il gruppo del professor J.J. Thompson presso il Cavendish Laboratory dell”Università di Cambridge. Come ambizioso studente laureato, è stato il primo a trasmettere e ricevere con successo le onde elettromagnetiche. Nel corso delle sue ricerche, riuscì a trasmettere onde elettromagnetiche su una distanza di mezzo miglio, un record mondiale all”epoca. Oltre a dimostrare che una scarica oscillante magnetizzava il ferro, Rutherford scoprì che un ago magnetizzato perdeva il suo magnetismo in un campo magnetico prodotto da una corrente alternata. In questo modo l”ago diventava un rilevatore di radiazioni elettromagnetiche, un fatto che era stato scoperto nello stesso periodo anche dal fisico tedesco Heinrich Hertz nel suo laboratorio. I risultati di Rutherford erano più semplici e avevano un maggiore potenziale commerciale. Quando Rutherford venne a conoscenza della scoperta dei raggi X da parte del tedesco Wilhelm Röntgen, fu felice di passare, su richiesta di J.J. Thompson, a studiare l”effetto dei raggi X sulla conduzione dell”elettricità nei gas. Gli studi di Thompson e Rutherford portarono all”osservazione della ionizzazione, la scomposizione di atomi e molecole in parti positive e negative (ioni) e l”attrazione di queste particelle cariche su elettrodi opposti. La ricerca di Rutherford si concentrò anche sulle radiazioni che producono ioni, sulle radiazioni ultraviolette e sulle radiazioni emesse dall”uranio. Rutherford scoprì che la radiazione emessa dall”uranio era molto più complessa di quanto si pensasse in precedenza. Ben presto iniziò a comprendere il concetto di radioattività, che divenne il suo principale interesse e quindi il lavoro della sua vita. Nel 1898 scoprì che gli atomi radioattivi, nella sua ricerca gli atomi di uranio, emettono due tipi di radiazioni. Le chiamò radiazioni alfa (α) e beta (β). Ben presto, le radiazioni beta si rivelarono essere elettroni veloci. Per diversi anni, gli scienziati hanno concentrato la loro attenzione sullo studio delle radiazioni alfa e beta. Oltre al lavoro di ricerca, lui e J.J. Thompson hanno potuto partecipare alle riunioni della Royal Society e della British Association. Questo gli ha dato l”opportunità di condividere i risultati delle sue ricerche e di dimostrare il suo talento, lasciando un segno duraturo nell”Università di Cambridge.

Ricerca e risultati nelle università

Università McGill, Montreal, Canada (1898-1907)

Università di Manchester, Inghilterra (1907-19)

Università di Cambridge, Laboratorio Cavendish, Inghilterra (1919-1937)

Nel 1898, Rutherford ottenne una cattedra all”Università McGill di Montreal, in Canada (1898-1907), che disponeva di laboratori ben attrezzati. Assunse un giovane chimico, Frederick Soddy, per assisterlo nelle sue ricerche, e una studentessa laureata, Harriet Brooks, come sua assistente. Con il loro aiuto, dimostrò il mistero del decadimento radioattivo: gli atomi di alcuni elementi decadono spontaneamente in atomi di elementi più leggeri. Questa è stata una delle scoperte più importanti della sua carriera. Dopo aver scoperto che il prodotto finale del decadimento dell”uranio è il piombo, Rutherford si rese conto che misurando le proporzioni relative di uranio e piombo nei minerali e la velocità di decadimento degli atomi di uranio, si poteva determinare l”età dei minerali. La datazione radioattiva di campioni di terreno è ancora oggi una parte importante della ricerca geologica. In seguito agli studi sul decadimento degli elementi pesanti, è stato sviluppato il concetto di tempo di dimezzamento, ovvero il tempo necessario alla metà dei nuclei atomici di una sostanza radioattiva per decadere in altri nuclei atomici.

Tra il 1902 e il 1903, Rutherford e Soddy svilupparono la teoria del decadimento come spiegazione della radioattività, che è considerata il più grande risultato di Rutherford alla McGill University. Nell”alchimia e nella teoria degli elementi di transizione, gli atomi erano considerati stabili, ma Rutherford e Soddy sostenevano che l”energia radioattiva provenisse dall”interno dell”atomo e che l”emissione spontanea di particelle alfa e beta segnasse la trasformazione chimica degli atomi da un elemento all”altro. Le prove schiaccianti degli studi sperimentali hanno soffocato i dubbiosi. Rutherford pensava che la particella alfa fosse la principale responsabile di questo cambiamento chimico, a causa della massa concreta della particella alfa. Identificò una carica positiva sulla particella alfa, ma non riuscì ancora a determinare se si trattasse di uno ione di idrogeno o di elio.

Durante il periodo trascorso all”Università McGill, Rutherford assunse un numero sempre maggiore di studenti ricercatori, comprese le donne, che all”epoca erano poche nell”università. È stata una ricercata oratrice e giornalista. È stato eletto Fellow della Royal Society of Canada nel 1900 e della Royal Society di Londra nel 1903. In questo periodo scrisse anche i più importanti libri di testo sulla radioattività. Il suo primo libro sulla radioattività fu pubblicato nel 1904. Ha ricevuto borse di studio, medaglie e molte offerte di lavoro. In seguito, nel 1908, ricevette il Premio Nobel per la Chimica per le sue ricerche sulla decomposizione degli elementi e per i suoi risultati chimici sulle sostanze radioattive. Uno sconcertato Rutherford diceva spesso agli amici che il cambiamento più rapido che conosceva era stato il passaggio da fisico a chimico.

Nel 1900, Rutherford tornò brevemente in Nuova Zelanda per sposare l”amata Mary Newton. La loro unica figlia Eileen nacque nel 1901. La coppia visitò la Nuova Zelanda nel 1905 per rinnovare i legami con le proprie famiglie.

Rutherford non voleva mai rimanere fermo a lungo e aveva spesso in mente nuove possibilità alternative. Il Nord America aveva una buona comunità scientifica, ma il centro della fisica terrestre era in Europa. L”Inghilterra lo ha attratto di nuovo. L”Inghilterra era più vicina ai principali centri scientifici e aveva un numero maggiore e migliore di studenti laureati. Nel 1907, quando a Rutherford fu offerto il posto di direttore dell”Università di Manchester, accettò.

All”Università di Manchester, Rutherford concentrò la sua ricerca sulle radiazioni alfa, beta e gamma e su come questi tipi di radiazioni potessero fornire nuove conoscenze sulla natura degli atomi. Lasciò la radiochimica ad altri scienziati e tornò alla fisica. Rutherford riuscì a dimostrare con i suoi studi fisici ciò che sospettava da tempo. La particella alfa era un atomo di elio privo di elettroni. Tuttavia, voleva prove migliori a sostegno delle sue scoperte e ha condotto diversi nuovi esperimenti con il suo team di ricerca. Insieme a Hans Geiger, Rutherford sviluppò un rivelatore elettrico, l””elettrometro”, per rilevare le particelle ionizzate. Con questo strumento fu in grado di determinare costanti fisiche sperimentalmente importanti, tra cui la costante di Avogadro. In seguito, Geiger completò con Walther Mϋller uno strumento per la misurazione della radioattività, il tubo di Geiger (Mϋller), che ancora oggi è uno strumento universale per la misurazione della radioattività. Sotto la guida di Geiger, Rutherford incaricò il suo giovane studente Ernest Madsen di misurare il numero relativo di particelle alfa rispetto all”angolo di diffusione e di determinare se le radiazioni alfa sarebbero state riflesse dai metalli (oggi noto come esperimento di Rutherford). Madsen scoprì che parte della radiazione alfa veniva riflessa dai metalli e persino direttamente dalla sottile pellicola d”oro. Questo risultato sorprese un po” anche Rutherford. Da questi risultati, nel 1911 concluse che quasi tutta la massa di un atomo è concentrata nel suo minuscolo nucleo, che è 1.000 volte più piccolo dell”atomo stesso, e quindi la maggior parte dell”atomo sarebbe spazio vuoto. Era stato scoperto il nucleo dell”atomo. Questa seconda grande scoperta di Rutherford gli diede una fama duratura. Nel 1912, il fisico danese Niels Bohr visitò il laboratorio di Rutherford e un anno dopo dimostrò l”importanza delle scoperte di Rutherford. Bohr dimostrò che la radioattività ha origine nel nucleo dell”atomo e le proprietà chimiche negli elettroni che orbitano intorno al nucleo. Utilizzò l”idea quantistica di Rutherford per creare un modello orbitale degli elettroni dell”atomo. È stato così creato un nuovo modello atomico. I modelli atomici di Rutherford e Bohr sono ancora oggi presenti nei libri di testo di chimica e fisica. Inoltre, lo scattering di Rutherford è ancora utilizzato per aiutare i dispositivi microelettronici utilizzati per rilevare particelle nucleari e orbitali atomici.

Nell”anno dello scoppio della Prima guerra mondiale (1914-1918), Rutherford fu nominato cavaliere. Durante la guerra, ha condotto ricerche per il governo, sviluppando metodi acustici per individuare i sottomarini. Queste informazioni sono state poi condivise con gli americani. Allo stesso tempo, cercò senza successo di persuadere i giovani scienziati che sarebbe stato meglio utilizzarli per sviluppare e ricercare le sfide della guerra, piuttosto che far distruggere le loro vite e il loro talento scientifico nelle trincee. Verso la fine della guerra, nel 1917, Rutherford tornò alla pratica della scienza atomica. Bombardando atomi leggeri con radiazioni alfa, Rutherford notò che le particelle espulse avevano un”energia superiore a quella delle radiazioni alfa e intuì che si trattava di nuclei di idrogeno (protoni H+). Da questa osservazione concluse che il bombardamento aveva convertito anche atomi di azoto in atomi di ossigeno. Era quindi riuscito a utilizzare le particelle alfa (He2+) per convertire un elemento in un altro elemento in una reazione nucleare. Rutherford divenne così il primo alchimista di successo al mondo e il primo a scindere il nucleo, conferendogli una reputazione scientifica duratura. Questi risultati sono stati pubblicati dopo la guerra, nel 1919.

Dopo la guerra, nel 1919, tornò alle sue radici di ricercatore universitario ed ebbe l”onore di ricoprire il ruolo di professore di fisica sperimentale a Cambridge e di direttore del Cavendish Laboratory, succedendo al famoso Sir J. J. Thomson. Il suo tempo era ora occupato anche da mansioni amministrative, per cui non aveva più il tempo di concentrarsi sulla ricerca come prima.

Rutherford invitò James Chadwick, uno studente laureato di Manchester, a raggiungerlo a Cavendish per continuare la loro ricerca comune. In esperimenti di laboratorio, hanno bombardato atomi leggeri con radiazioni alfa, provocando cambiamenti nella loro struttura, ma non sono riusciti a penetrare i nuclei degli elementi più pesanti con le radiazioni alfa. Le cariche reciproche tra la radiazione alfa e i nuclei degli atomi più pesanti sembravano respingersi. Inoltre, non è stato possibile determinare se la particella alfa sia stata riflessa o se si sia fusa con il nucleo per essere comunque bombardata. Alla fine, alla fine degli anni Venti, i progressi dell”ecotecnologia hanno permesso di risolvere questi problemi. Nel frattempo, nel suo primo decennio come professore universitario e direttore di laboratorio, Rutherford si concentrò soprattutto sulla creazione di gruppi di ricerca di prim”ordine. Si è dimostrato un leader umano e solidale, che si è assicurato che gli studenti prendessero il merito della ricerca di cui è stato mentore. All”università si è battuto affinché le donne avessero gli stessi diritti degli uomini.

Nel 1925, Rutherford viaggiò per l”ultima volta in Australia e Nuova Zelanda. Durante la sua visita di sei settimane in Nuova Zelanda ha tenuto diverse conferenze pubbliche. Ovunque tenesse conferenze, riceveva un”accoglienza rispettosa. Le sale erano gremite di persone che volevano sentirlo parlare della struttura dell”atomo. Rutherford ha dichiarato di essere sempre stato orgoglioso di essere un neozelandese. Ha espresso il suo sostegno all”istruzione e alla ricerca e ha raccomandato di svolgere ricerche scientifiche a beneficio degli agricoltori. Grazie al suo sostegno, nel 1926 fu creato in Nuova Zelanda un Istituto di Ricerca Scientifica e Industriale. Durante la sua visita in Nuova Zelanda, trascorse anche del tempo a sostenere i suoi genitori malati.

L”unica figlia dei Rutherford, Eileen, era sposata con Ralph Fowler, un fisico matematico del Cavendish Laboratory. Ebbero quattro figli, tutti molto istruiti. La famiglia Rutherford fu colpita dalla tristezza quando Eileen morì per un coagulo di sangue nel 1930, a soli 29 anni, nove giorni dopo la nascita del figlio più piccolo e appena due giorni prima del Natale del 1930. Il giorno di Capodanno di quell”anno, la Rutherford fu creata baronetto, Barone Rutherford di Nelson, ma questo onore fu oscurato dalla tristezza per la morte della figlia.

Con lo sviluppo della tecnologia, gli anni ”30 furono il periodo d”oro dei gruppi di ricerca di Rutherford. Nel 1932, James Chadwick scoprì il neutrone, dimostrando che il nucleo era composto da protoni e neutroni. Rutherford aveva previsto l”esistenza del neutrone un decennio prima e guidò Chadwick nella sua ricerca dicendogli quali proprietà avrebbe dovuto avere il neutrone. Nello stesso anno, John Cockcroft ed Ernest Walton riuscirono a scindere l”atomo di litio bombardandolo con protoni, i nuclei dell”atomo di idrogeno, accelerati ad altissima velocità da un acceleratore ad alta tensione. L”atomo di litio si divide in due particelle alfa. Per il loro lavoro, i due ricevettero in seguito il Premio Nobel per la Fisica nel 1951.

Dopo l”invenzione della camera a nubi (da parte del fisico inglese Charles Wilson, premio Nobel per la fisica nel 1927), si è ottenuta una prova visiva di ciò che accade effettivamente nelle collisioni. Il fisico inglese Patrick Blackett ha utilizzato la camera a nubi per studiare 400 000 collisioni di particelle alfa e ha scoperto che la maggior parte di esse erano collisioni elastiche ordinarie. Tuttavia, alcune collisioni hanno provocato un decadimento. In questi casi, le radiazioni alfa penetrano nel nucleo dello ione bersaglio, dopo di che il nucleo si divide in due parti. Si trattò di un passo molto importante nella comprensione delle reazioni nucleari e Blackett ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1948 per i suoi risultati. Sotto la guida di Rutherford era iniziata una grande era scientifica. Anni prima, Rutherford aveva ipotizzato che per penetrare nel nucleo di un atomo sarebbero state necessarie particelle accelerate di qualche milione di volt per eguagliare l”energia delle particelle rimosse dall”atomo radioattivo. Per anni ha quindi fatto pressione sull”industria del suo Paese affinché sviluppasse sorgenti ad alta tensione. Tuttavia, George Gamow e Norman Feather, nel corso delle loro ricerche, fecero una scoperta che dimostrò che le particelle a bassa energia erano più efficaci nel penetrare il nucleo dell”atomo. Rutherford commissionò un acceleratore di particelle a basso voltaggio con un flusso di particelle molto migliore. Di conseguenza, Gilbert Lewis fu in grado di sperimentare con l”idrogeno più pesante, il deuterio e il trizio, e con l”elio leggero (He-3). Di conseguenza, nel 1932 Rutherford, il fisico australiano Mark Oliphant e il chimico tedesco Paul Harteck collaborarono per ottenere la prima reazione di fusione. Rutherford sperava che la fissione nucleare, in grado di liberare energia dall”uranio in modo efficiente, non sarebbe stata scoperta fino a quando gli esseri umani non avessero potuto vivere in armonia con i loro vicini. Tuttavia, questo obiettivo è stato raggiunto solo pochi anni dopo la sua morte.

Epilogo

Rutherford aveva alcuni interessi oltre alla scienza, soprattutto il golf e l”automobilismo. Era un liberale ma non attivo politicamente, anche se fu membro del Consiglio consultivo dell”Istituto governativo per la ricerca scientifica e industriale e presidente del Consiglio accademico ausiliario.

Nel corso della sua vita, Rutherford ha ricevuto numerosi premi scientifici e dottorati honoris causa in molti Paesi, oltre a borse di studio da parte di numerose società e organizzazioni. Diversi edifici sono stati intitolati a suo nome ed è apparso sui francobolli di quattro diversi Paesi e sulle banconote della Nuova Zelanda. L”elemento rutherfordium è chiamato così in suo onore.

Rutherford morì a Cambridge all”età di 66 anni il 19 ottobre 1937 per complicazioni dovute a un intervento chirurgico di ernia e fu sepolto nell”Abbazia di Westminster, a Londra. Lady Rutherford si ritirò in vecchiaia nella natia Nuova Zelanda, a Christchurch, dove morì nel 1954.

“È stato quasi incredibile come bombardare carta velina con proiettili di 15 pollici che sarebbero rimbalzati e mi avrebbero colpito”. (Rutherford disse che il suo esperimento era il risultato della ricerca che portò alla scoperta del nucleo atomico).

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Pubblicazioni

Fonti

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford
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^ “APS Member History”. search.amphilsoc.org. Retrieved 28 June 2021.