Ernest Rutherford

gigatos | Fevereiro 15, 2022

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Resumo

Rutherford teve a oportunidade de educação desde a infância e utilizou-a para ter sucesso nos seus estudos. Fez a sua própria investigação enquanto ainda era estudante e foi aceite no seu primeiro grupo de investigação como estudante de pós-graduação na Universidade de Cambridge, Inglaterra. Este foi o início da investigação do físico sobre radioactividade. Estas continuaram ao longo da sua vida em várias universidades de todo o mundo, produzindo grandes realizações.

Entre as grandes descobertas da física, é-lhe creditada a descoberta do núcleo atómico numa experiência agora conhecida como a experiência de Rutherford. Estudou a radioactividade e foi o primeiro a introduzir os termos radiação alfa, beta e gama. Rutherford foi o primeiro a descobrir que metade do material radioactivo decai num tempo constante (meia-vida). Rutherford também descobriu o próton e formulou a hipótese da existência de partículas não carregadas, neutrões, no átomo. Rutherford foi galardoado com o Prémio Nobel da Química em 1908 pela sua investigação sobre a química dos elementos radioactivos.

Ernest nasceu em Spring Grove, Nova Zelândia, a 30 de Agosto de 1871. O pai de Ernest, James Rutherford, e a mãe, Martha Thompson, tinham ambos emigrado com os seus pais para a Nova Zelândia em meados do século XIX, o pai James da Escócia aos 4 anos e a mãe Martha da Inglaterra aos 13 anos de idade. Ernest nasceu numa família de classe média. De acordo com várias fontes, o seu pai trabalhou como agricultor e moleiro de linho durante a sua vida, e dirigiu a sua própria serração, onde o jovem Ernest também trabalhou extensivamente. Ernest estava rodeado de pessoas trabalhadoras e com boas competências técnicas. O seu pai também reparou e manteve máquinas e peças para vários moinhos. A sua mãe foi uma professora que ensinou todos os seus filhos a ler e a escrever. Nasceram 12 crianças na família Rutherford, cinco raparigas e sete rapazes. Ernest foi o quarto filho e o segundo filho mais velho. Três dos irmãos de Ernest morreram na infância, um à nascença e dois afogaram-se tristemente numa viagem familiar. Isto levou à depressão da mãe de Ernest, da qual ela nunca recuperou durante a sua vida.

As crianças de Rutherford receberam todas uma boa educação porque os seus pais valorizavam a educação. O apreço dos pais foi porque o pai James nunca teve a oportunidade e a mãe Martha teve. A sua mãe acreditava que “todo o conhecimento é poder”. Ernest passou os seus anos escolares nas escolas rurais do lugar onde viveu até 1886 (Escola Primária Foxhill 1876-81, Escola Primária Havelock 1882-86). Recebeu o seu primeiro livro de ciências da escola aos 10 anos de idade. No mesmo ano, Rutherford construiu o seu próprio canhão em miniatura, que felizmente explodiu sem causar qualquer dano.

Anos de estudo

Em 1887, na sua segunda tentativa, Ernest, de 15 anos de idade, recebeu uma bolsa de estudo do Marlborough Board of Education para o Nelson College, uma escola secundária privada. Mudou-se de casa e estudou com sucesso em todas as disciplinas, especialmente matemática e ciências. Enquanto estudava, era um apaixonado pelo râguebi. Depois de deixar a escola em 1890, novamente na sua segunda tentativa, Ernest conseguiu obter uma bolsa de estudo para o Canterbury College em Christchurch, uma das quatro universidades da Nova Zelândia. Em Canterbury, Rutherford teve a sorte de ser ensinado por professores brilhantes que realmente o fizeram interessar-se pela investigação científica. Durante os seus três anos de licenciatura, estudou latim, francês e matemática. Em 1892 licenciou-se (Bacharelato em Artes) em matemática, matemática aplicada, latim, inglês, francês e física. Graças às suas excelentes notas, foi-lhe atribuída uma bolsa de estudo para um ano de pós-graduação (“Honours” ano). Durante este ano adicional, o Sr. Rutherford completou um Bacharelato em Geologia e Química. Também estudou mais matemática e física enquanto realizava investigação independente, centrando-se principalmente na teoria da electricidade e do magnetismo. A sua principal pesquisa nessa altura era sobre indução magnética de alta frequência e viscosidade magnética do ferro e do aço, na qual também publicou os seus primeiros artigos. Durante a sua investigação desenvolveu também alguns novos dispositivos físicos, incluindo um detector de impulsos de corrente rápida. Foi por volta desta altura que ele se encontrou e se apaixonou por Mary Newton, a filha do proprietário do apartamento onde ele estudava.

Como estudante de pós-graduação na universidade

Investigação e realizações nas universidades

Universidade McGill, Montreal, Canadá (1898-1907)

Universidade de Manchester, Inglaterra (1907-19)

Universidade de Cambridge, Cavendish Laboratory, Inglaterra (1919-1937)

Entre 1902 e 1903, Rutherford e Soddy desenvolveram a teoria da decadência como explicação para a radioactividade, que é considerada o maior feito de Rutherford na Universidade McGill. Na alquimia e teoria dos elementos de transição, os átomos eram considerados estáveis, mas Rutherford e Soddy argumentaram que a energia radioactiva vinha do interior do átomo e que a emissão espontânea de partículas alfa e beta marcava a transformação química dos átomos de um elemento para outro. As provas esmagadoras dos estudos experimentais sufocaram os cépticos. Rutherford pensava que a partícula alfa era o maior contribuinte para esta mudança química devido à massa de betão da partícula alfa. Identificou uma carga positiva sobre a partícula alfa, mas ainda não conseguiu determinar se se tratava de um íon de hidrogénio ou de hélio.

Em 1900, Rutherford regressou brevemente à Nova Zelândia para casar com a sua amada Mary Newton. O seu único filho, Eileen, nasceu em 1901. O casal visitou a Nova Zelândia em 1905 para renovar os laços com as suas famílias.

No ano do início da Primeira Guerra Mundial (1914-1918), Rutherford foi nomeado cavaleiro. Durante a guerra, realizou pesquisas para o governo, desenvolvendo métodos acústicos para a detecção de submarinos. Esta informação foi então partilhada com os americanos. Ao mesmo tempo, tentou, sem sucesso, persuadir os jovens cientistas de que seria melhor utilizá-los para desenvolver e investigar os desafios da guerra do que ter as suas vidas e talento científico destruídos nas trincheiras. Perto do fim da guerra em 1917, Rutherford regressou à prática da ciência atómica. Enquanto bombardeava átomos de luz com radiação alfa, Rutherford notou que as partículas ejectadas resultantes tinham uma energia mais elevada do que a radiação alfa e adivinhou que as partículas eram núcleos de hidrogénio (prótons H+). Com base nesta observação, concluiu que o bombardeamento tinha simultaneamente convertido átomos de azoto em átomos de oxigénio. Tinha, portanto, conseguido utilizar partículas alfa (He2+) para converter um elemento num outro elemento como resultado de uma reacção nuclear. Rutherford tornou-se assim o primeiro alquimista bem sucedido do mundo e o primeiro a dividir o núcleo, levando a uma reputação científica duradoura. Estas descobertas foram publicadas após a guerra em 1919.

Após a guerra em 1919 regressou às suas raízes de investigação universitária e teve a honra de ocupar o lugar de Professor de Física Experimental em Cambridge e o lugar de Director do Laboratório Cavendish, sucedendo ao famoso Sir J. J. Thomson. O seu tempo foi agora também ocupado com tarefas administrativas, pelo que já não tinha tanto tempo para se concentrar na investigação como antes.

Rutherford convidou James Chadwick, um estudante licenciado de Manchester, a juntar-se a ele em Cavendish para continuar a sua investigação conjunta. Em experiências de laboratório, bombardearam átomos leves com radiação alfa, causando alterações na sua estrutura, mas não conseguiram penetrar os núcleos de elementos mais pesados com radiação alfa. As cargas mútuas entre a radiação alfa e os núcleos dos átomos mais pesados pareciam repelir-se umas às outras. Além disso, não conseguiram determinar se a partícula alfa foi reflectida de volta, ou se se fundiu com o núcleo a ser bombardeado de qualquer forma. No final da década de 1920, os avanços da ecotecnologia tornaram possível a resolução destas questões. Entretanto, na sua primeira década como professor universitário e director de laboratório, Rutherford centrava-se principalmente na criação de grupos de investigação de primeira classe. Provou ser um líder humano e solidário que se certificou de que os estudantes ficavam com os louros da investigação que ele orientou. Ele fez campanha na universidade para que as mulheres tivessem os mesmos direitos que os homens.

Em 1925, Rutherford viajou pela última vez, para a Austrália e Nova Zelândia. Durante a sua visita de seis semanas à Nova Zelândia, deu várias palestras públicas. Onde quer que desse sermão, recebia uma recepção respeitosa. Os corredores estavam cheios de pessoas que queriam ouvi-lo falar sobre a estrutura do átomo. Rutherford declarou que sempre se tinha orgulhado de ser um neozelandês. Manifestou o seu apoio à educação e investigação e recomendou que se fizesse investigação científica que beneficiasse os agricultores. Como resultado do seu apoio, foi criado um Instituto de Investigação Científica e Industrial na Nova Zelândia em 1926. Durante a sua visita à Nova Zelândia, ele também passou algum tempo a apoiar os seus pais em dificuldades.

A única filha de Rutherfords, Eileen, foi casada com Ralph Fowler, um físico matemático do Laboratório Cavendish. Tiveram quatro filhos, todos eles altamente instruídos. A tristeza caiu sobre a família Rutherford quando Eileen morreu de um coágulo de sangue em 1930, com apenas 29, nove dias após o nascimento do seu filho mais novo e apenas dois dias antes do Natal de 1930. No dia de Ano Novo desse ano, Rutherford foi criada uma baronete, o Barão Rutherford de Nelson, mas esta honra foi ofuscada pela tristeza da morte da sua filha.

Com o desenvolvimento da tecnologia, a década de 1930 foi a era dourada das equipas de investigação de Rutherford. Em 1932, James Chadwick descobriu o neutron, demonstrando que o núcleo era composto por prótons e neutrões. Rutherford tinha previsto a existência do neutrão uma década antes e orientou Chadwick na sua investigação, dizendo-lhe quais as propriedades que o neutrão deveria ter. No mesmo ano, John Cockcroft e Ernest Walton conseguiram dividir o átomo de lítio bombardeando-o com protões, os núcleos do átomo de hidrogénio, acelerados a velocidades muito elevadas por um acelerador de alta voltagem. O átomo de lítio dividiu-se em duas partículas alfa. A dupla foi posteriormente galardoada com o Prémio Nobel da Física pelo seu trabalho em 1951.

Após a invenção da câmara das nuvens (pelo físico inglês Charles Wilson, Prémio Nobel da Física em 1927), foram obtidas provas visuais do que realmente aconteceu em colisões. O físico inglês Patrick Blackett utilizou a câmara de nuvens para estudar 400 000 colisões de partículas alfa e descobriu que a maioria delas eram colisões elásticas comuns. No entanto, algumas das colisões resultaram efectivamente em decadência. Nestes, a radiação alfa penetrou o núcleo do ião alvo, após o que o núcleo se dividiu em dois. Este foi um passo muito importante na compreensão das reacções nucleares e Blackett recebeu o Prémio Nobel da Física em 1948 pelos seus resultados. Tinha começado uma grande era científica sob a orientação de Rutherford. Anos antes, Rutherford tinha assumido que para penetrar no núcleo de um átomo seria necessário que as partículas fossem aceleradas por alguns milhões de volts para corresponder à energia das partículas removidas do átomo radioactivo. Para este fim, durante anos pressionou a indústria do seu país a desenvolver fontes de alta tensão. Contudo, George Gamow e Norman Feather, nas suas próprias investigações, fizeram uma descoberta que mostrou que as partículas de menor energia eram mais eficazes a penetrar o núcleo do átomo. A Rutherford encomendou um acelerador de partículas de baixa voltagem com um fluxo de partículas muito melhor. Como resultado, Gilbert Lewis foi capaz de experimentar hidrogénio mais pesado, deutério e trítio, e hélio leve (He-3). Como resultado, em 1932 Rutherford, o físico australiano Mark Oliphant e o químico alemão Paul Harteck colaboraram para alcançar a primeira reacção de fusão. Bombardeiam deutério (2H) com deuterons (2H+) para produzir trítio (3H). Rutherford esperava que a fissão nuclear, que poderia libertar eficazmente energia do urânio, não fosse descoberta até que os humanos pudessem viver em harmonia com os seus vizinhos. No entanto, isto foi conseguido apenas alguns anos após a sua morte.

Epílogo

Rutherford tinha alguns interesses para além da ciência, principalmente o golfe e o automobilismo. Era um liberal mas não politicamente activo, embora fosse membro do Conselho Consultivo do Instituto Governamental para a Investigação Científica e Industrial e Presidente do Conselho Auxiliar Académico.

Durante a sua vida, Rutherford recebeu muitos prémios científicos e doutoramentos honorários em muitos países, bem como bolsas de muitas sociedades e organizações. Vários edifícios receberam o seu nome e ele apareceu em selos postais em quatro países diferentes e em notas da Nova Zelândia. O elemento rutherfordium é nomeado em sua honra.

Rutherford morreu em Cambridge com 66 anos de idade, a 19 de Outubro de 1937, devido a complicações da cirurgia da hérnia e foi enterrado na Abadia de Westminster, Londres. Lady Rutherford reformou-se até à sua velhice na sua Nova Zelândia natal, em Christchurch, onde morreu em 1954.

“Foi quase tão inacreditável como bombardear papel tissue com projécteis de 15 polegadas e fazê-los ricochetear e bater-me”. (Rutherford disse que a sua experiência foi o resultado de uma pesquisa que levou à descoberta do núcleo atómico).

Publicações

Fontes