Ernest Rutherford
gigatos | 27 marca, 2022
Ernest Rutherford, prvý barón Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30. augusta 1871 Spring Grove, Nový Zéland – 19. októbra 1937 Cambridge, Anglicko, Spojené kráľovstvo) bol britský fyzik narodený na Novom Zélande.
Rutherford dostal príležitosť vzdelávať sa už od detstva a využil ju na to, aby dosiahol úspech v štúdiu. Ešte počas štúdia sa venoval vlastnému výskumu a ako postgraduálny študent bol prijatý do svojej prvej výskumnej skupiny na univerzite v Cambridge v Anglicku. To bol začiatok fyzikovho výskumu rádioaktivity. Pokračoval v nich počas celého života na rôznych univerzitách po celom svete a dosiahol významné úspechy.
Medzi veľké fyzikálne objavy patrí aj objav atómového jadra v experimente, ktorý je dnes známy ako Rutherfordov experiment. Skúmal rádioaktivitu a ako prvý zaviedol pojmy alfa, beta a gama žiarenie. Rutherford ako prvý zistil, že polovica rádioaktívneho materiálu sa rozpadá za konštantný čas (polčas rozpadu). Rutherford objavil aj protón a vyslovil hypotézu o existencii nenabitých častíc, neutrónov, v atóme. Rutherfordovi bola v roku 1908 udelená Nobelova cena za chémiu za výskum rádioaktívnych prvkov.
Ernest sa narodil 30. augusta 1871 v Spring Grove na Novom Zélande. Ernestov otec James Rutherford a matka Martha Thompsonová emigrovali s rodičmi na Nový Zéland v polovici 19. storočia, otec James zo Škótska vo veku 4 rokov a matka Martha z Anglicka vo veku 13 rokov. Ernest sa narodil do rodiny strednej vrstvy. Podľa rôznych zdrojov pracoval jeho otec počas svojho života ako farmár a mlynár ľanu a prevádzkoval aj vlastnú pílu, na ktorej mladý Ernest tiež intenzívne pracoval. Ernest bol obklopený pracovitými ľuďmi s dobrými technickými zručnosťami. Jeho otec tiež opravoval a udržiaval stroje a súčiastky pre rôzne mlyny. Jeho matka bola učiteľka, ktorá učila všetky svoje deti čítať a písať. V rodine Rutherfordovcov sa narodilo 12 detí, päť dievčat a sedem chlapcov. Ernest bol štvrté dieťa a druhý najstarší syn. Traja Ernestovi bratia zomreli v detstve, jeden pri narodení a dvaja sa bohužiaľ utopili na rodinnom výlete. To viedlo k depresii Ernestovej matky, z ktorej sa počas svojho života nikdy nedostala.
Všetky Rutherfordove deti získali dobré vzdelanie, pretože ich rodičia si vážili vzdelanie. Rodičia si ho vážili, pretože otec James nikdy nemal príležitosť a matka Marta áno. Jeho matka verila, že „všetko poznanie je moc“. Ernest strávil školské roky vo vidieckych školách v mieste, kde žil do roku 1886 (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Svoju prvú učebnicu prírodných vied dostal v škole, keď mal 10 rokov. V tom istom roku Rutherford zostrojil vlastné miniatúrne delo, ktoré našťastie vybuchlo bez toho, aby spôsobilo škody.
Roky štúdia
V roku 1887, na druhý pokus, získal 15-ročný Ernest štipendium Marlborough Board of Education na súkromnej strednej škole Nelson College. Odišiel z domu a úspešne študoval všetky predmety, najmä matematiku a prírodné vedy. Počas štúdia bol vášnivým hráčom rugby. Po ukončení školy v roku 1890 sa Ernestovi podarilo na druhý pokus získať štipendium na Canterbury College v Christchurchi, jednej zo štyroch novozélandských univerzít. V Canterbury mal Rutherford šťastie, že ho učili vynikajúci profesori, ktorí ho skutočne zaujali vedeckým výskumom. Počas trojročného štúdia študoval latinčinu, francúzštinu a matematiku. V roku 1892 absolvoval bakalárske štúdium matematiky, aplikovanej matematiky, latinčiny, angličtiny, francúzštiny a fyziky. Vďaka výborným známkam získal štipendium na jeden rok postgraduálneho štúdia (ročník „Honours“). Počas tohto ďalšieho roka pán Rutherford ukončil bakalárske štúdium geológie a chémie. Počas samostatného výskumu sa venoval aj ďalšiemu štúdiu matematiky a fyziky, pričom sa zameral najmä na teóriu elektriny a magnetizmu. Jeho hlavným výskumom v tom čase bola vysokofrekvenčná magnetická indukcia a magnetická viskozita železa a ocele, o ktorých publikoval aj svoje prvé práce. Počas svojho výskumu vyvinul aj niekoľko nových fyzikálnych zariadení vrátane detektora rýchlych prúdových impulzov. V tom čase sa zoznámil s Mary Newtonovou, dcérou majiteľa bytu, v ktorom študoval, a zamiloval sa do nej.
Ako postgraduálny študent na univerzite
Po skončení univerzity mal Rutherford ambíciu stať sa výskumným pracovníkom v Cavendishovom laboratóriu na Cambridgeskej univerzite v Anglicku. Jeho želanie sa našťastie splnilo, keď James Maclaurin, jeden z ďalších uchádzačov, odmietol miesto, pretože nesúhlasil s podmienkami štipendia. Rutherford teda odišiel z Nového Zélandu do Anglicka a stal sa prvým postgraduálnym absolventom mimo Cambridge (1895-98). Rutherford tak začal pracovať vo výskumnej skupine profesora J. J. Thompsona v Cavendishovom laboratóriu na univerzite v Cambridge. Ako ambiciózny postgraduálny študent ako prvý úspešne vysielal a prijímal elektromagnetické vlny. Pri svojom výskume sa mu podarilo preniesť elektromagnetické vlny na vzdialenosť pol míle, čo bol v tom čase svetový rekord. Okrem toho, že Rutherford dokázal, že oscilačný výboj magnetizuje železo, zistil, že zmagnetizovaná ihla stráca magnetizmus v magnetickom poli vytvorenom striedavým prúdom. Tým sa ihla stala detektorom elektromagnetického žiarenia, čo v tom istom čase objavil vo svojom laboratóriu aj nemecký fyzik Heinrich Hertz. Rutherfordove výsledky boli jednoduchšie a mali väčší komerčný potenciál. Keď sa Rutherford dozvedel o objave röntgenových lúčov Nemcom Wilhelmom Röntgenom, na žiadosť J. J. Thompsona s radosťou pokračoval v štúdiu vplyvu röntgenových lúčov na vedenie elektriny v plynoch. Thompsonove a Rutherfordove štúdie viedli k pozorovaniu ionizácie, rozkladu atómov a molekúl na kladné a záporné časti (ióny) a priťahovania týchto nabitých častíc k protiľahlým elektródam. Rutherford sa vo svojom výskume zameral aj na žiarenie produkujúce ióny, ultrafialové žiarenie a žiarenie vyžarované uránom. Rutherford zistil, že žiarenie vyžarované uránom je oveľa zložitejšie, než sa predtým predpokladalo. Čoskoro začal chápať koncept rádioaktivity, ktorý sa stal jeho hlavným záujmom, a teda aj jeho životným dielom. V roku 1898 zistil, že rádioaktívne atómy, v jeho výskume atómy uránu, vyžarujú dva druhy žiarenia. Nazval ich alfa (α) a beta (β) žiarenie. Veľmi skoro sa ukázalo, že beta žiarenie sú rýchle elektróny. Niekoľko rokov potom sa vedci sústredili na štúdium žiarenia alfa a beta. Okrem výskumnej práce sa spolu s J. J. Thompsonom mohli zúčastňovať na zasadnutiach Kráľovskej spoločnosti a Britskej asociácie. To mu dalo príležitosť podeliť sa o výsledky svojho výskumu a preukázať svoj talent a na univerzite v Cambridge zanechal trvalú stopu.
Výskum a výsledky na univerzitách
McGill University, Montreal, Kanada (1898-1907)
Manchesterská univerzita, Anglicko (1907-19)
University of Cambridge, Cavendish Laboratory, Anglicko (1919-1937)
V roku 1898 Rutherford prijal miesto profesora na McGillovej univerzite v kanadskom Montreale (1898-1907). Univerzita mala dobre vybavené laboratóriá, a tak sa Rutherford presťahoval za oceán. Prijal mladého chemika Fredericka Soddyho, aby mu pomáhal pri výskume, a absolventku Harriet Brooksovú ako svoju asistentku. S ich pomocou dokázal tajomstvo rádioaktívneho rozpadu: atómy niektorých prvkov sa samovoľne rozpadajú na atómy ľahších prvkov. Bol to jeden z prelomových momentov jeho kariéry. Po zistení, že konečným produktom rozpadu uránu je olovo, si Rutherford uvedomil, že meraním relatívneho podielu uránu a olova v mineráloch a rýchlosti rozpadu atómov uránu možno určiť vek minerálov. Rádioaktívne datovanie pôdnych vzoriek je aj dnes dôležitou súčasťou geologického výskumu. Na základe štúdií rozpadu ťažkých prvkov sa vyvinul pojem polčas rozpadu, teda čas, za ktorý sa polovica atómových jadier rádioaktívnej látky rozpadne na iné atómové jadrá.
V rokoch 1902 až 1903 Rutherford a Soddy vypracovali teóriu rozpadu ako vysvetlenie rádioaktivity, ktorá sa považuje za najväčší Rutherfordov úspech na McGillovej univerzite. V alchýmii a teórii prechodných prvkov sa atómy považovali za stabilné, ale Rutherford a Soddy tvrdili, že rádioaktívna energia pochádza z vnútra atómu a že spontánna emisia častíc alfa a beta znamená chemickú premenu atómov z jedného prvku na druhý. Prevažujúce dôkazy z experimentálnych štúdií potlačili pochybovačov. Rutherford si myslel, že k tejto chemickej zmene najviac prispieva častica alfa, pretože má konkrétnu hmotnosť. Identifikoval kladný náboj alfa častice, ale zatiaľ nedokázal určiť, či ide o vodíkový alebo héliový ión.
Počas svojho pôsobenia na McGillovej univerzite Rutherford prijímal čoraz viac výskumných študentov vrátane žien, ktorých bolo v tom čase na univerzite málo. Bola vyhľadávanou rečníčkou a novinárkou. V roku 1900 bol zvolený za člena Kanadskej kráľovskej spoločnosti a v roku 1903 za člena Londýnskej kráľovskej spoločnosti. V tomto období napísal aj najdôležitejšie učebnice o rádioaktivite. Jeho prvá kniha Radioaktivita bola publikovaná v roku 1904. Získal granty, medaily a mnoho pracovných ponúk. Neskôr, v roku 1908, mu bola udelená Nobelova cena za chémiu za výskum rozkladu prvkov a za jeho chemické výsledky v oblasti rádioaktívnych látok. Zmätený Rutherford často hovoril priateľom, že najrýchlejšia zmena, ktorú poznal, bol jeho prechod z fyzika na chemika.
V roku 1900 sa Rutherford nakrátko vrátil na Nový Zéland, aby sa oženil so svojou milovanou Mary Newtonovou. Ich jediné dieťa Eileen sa narodilo v roku 1901. Manželia navštívili Nový Zéland v roku 1905, aby obnovili vzťahy so svojimi rodinami.
Rutherford nikdy nechcel zostať dlho v pokoji a často mal na mysli nové alternatívne možnosti. Severná Amerika mala dobrú vedeckú komunitu, ale centrum pozemskej fyziky bolo v Európe. Anglicko ho opäť priťahovalo. Anglicko bolo bližšie k hlavným vedeckým centrám a malo viac a lepších absolventov. V roku 1907, keď Rutherford dostal ponuku viesť univerzitu v Manchestri, ju prijal.
Na univerzite v Manchestri sa Rutherford zameral na výskum žiarenia alfa, beta a gama a na to, ako by tieto typy žiarenia mohli priniesť nové poznatky o podstate atómov. Rádiochémiu prenechal iným vedcom a vrátil sa k fyzike. Rutherfordovi sa vo svojich fyzikálnych štúdiách podarilo dokázať to, čo už dlho tušil. Častica alfa bola atómom hélia bez elektrónov. Chcel však získať lepšie dôkazy na podporu svojich zistení a so svojím výskumným tímom uskutočnil niekoľko nových experimentov. Rutherford spolu s Hansom Geigerom vyvinuli elektrický detektor, tzv. elektrometer, na detekciu ionizovaných častíc. Pomocou tohto prístroja sa mu podarilo určiť experimentálne dôležité fyzikálne konštanty vrátane Avogadrovej konštanty. Neskôr Geiger spolu s Waltherom Mϋllerom dokončil prístroj na meranie rádioaktivity, Geigerovu (Mϋllerovu) trubicu, ktorá je dodnes univerzálnym prístrojom na meranie rádioaktivity. Rutherford pod Geigerovým vedením poveril svojho mladého študenta Ernesta Madsena, aby zmeral relatívny počet častíc alfa v závislosti od uhla rozptylu a určil, či sa nejaké žiarenie alfa odrazí od kovov (dnes známy ako Rutherfordov experiment). Madsen zistil, že časť žiarenia alfa sa odráža od kovov a dokonca priamo od tenkej vrstvy zlata. Tento výsledok trochu prekvapil aj Rutherforda. Na základe týchto výsledkov dospel v roku 1911 k záveru, že takmer celá hmotnosť atómu je sústredená v jeho malom jadre, ktoré je 1000-krát menšie ako samotný atóm, a teda väčšinu atómu tvorí prázdny priestor. Bolo objavené jadro atómu. Tento druhý veľký Rutherfordov objav mu priniesol trvalú slávu. V roku 1912 navštívil Rutherfordovo laboratórium dánsky fyzik Niels Bohr a o rok neskôr preukázal význam Rutherfordových zistení. Bohr dokázal, že rádioaktivita vzniká v jadre atómu a chemické vlastnosti v elektrónoch obiehajúcich okolo jadra. Využil Rutherfordovu kvantovú myšlienku a vytvoril orbitálny model elektrónov v atóme. Vznikol tak nový atómový model. Rutherfordove a Bohrove atómové modely sú dodnes súčasťou učebníc chémie a fyziky. Okrem toho sa Rutherfordov rozptyl stále používa na pomoc mikroelektronickým zariadeniam, ktoré sa používajú na detekciu jadrových častíc a atómových orbitálov.
V roku vypuknutia prvej svetovej vojny (1914-1918) bol Rutherford povýšený do rytierskeho stavu. Počas vojny vykonával výskum pre vládu a vyvíjal akustické metódy na detekciu ponoriek. Tieto informácie boli následne poskytnuté Američanom. Zároveň sa neúspešne snažil presvedčiť mladých vedcov, že bude lepšie využiť ich na vývoj a výskum vojnových výziev, než aby ich životy a vedecký talent boli zničené v zákopoch. Ku koncu vojny v roku 1917 sa Rutherford vrátil k atómovej vede. Pri bombardovaní ľahkých atómov alfa žiarením si Rutherford všimol, že výsledné vyvrhnuté častice majú vyššiu energiu ako alfa žiarenie, a usúdil, že ide o jadrá vodíka (protóny H+). Na základe tohto pozorovania dospel k záveru, že bombardovanie súčasne premenilo atómy dusíka na atómy kyslíka. Podarilo sa mu teda pomocou častíc alfa (He2+) premeniť prvok na iný prvok v dôsledku jadrovej reakcie. Rutherford sa tak stal prvým úspešným alchymistom na svete a prvým, ktorý rozdelil jadro, čo mu prinieslo trvalú vedeckú reputáciu. Tieto zistenia boli publikované po vojne v roku 1919.
Po vojne v roku 1919 sa vrátil k svojim univerzitným výskumným koreňom a mal tú česť obsadiť post profesora experimentálnej fyziky v Cambridge a post riaditeľa Cavendishovho laboratória, kde vystriedal slávneho Sira J. J. Thomsona. Jeho čas teraz zaberali aj administratívne povinnosti, takže už nemal toľko času sústrediť sa na výskum ako predtým.
Rutherford pozval Jamesa Chadwicka, postgraduálneho študenta z Manchestru, aby sa k nemu pripojil v Cavendishi a pokračoval v ich spoločnom výskume. V laboratórnych experimentoch bombardovali ľahké atómy alfa žiarením, čo spôsobilo zmeny v ich štruktúre, ale jadrá ťažších prvkov sa im alfa žiarením preniknúť nepodarilo. Zdá sa, že vzájomné náboje medzi žiarením alfa a jadrami ťažších atómov sa odpudzujú. Okrem toho nedokázali určiť, či sa alfa častica odrazila späť, alebo či sa aj tak spojila s jadrom a bola bombardovaná. Nakoniec, koncom 20. rokov 20. storočia, pokroky v ekotechnológii umožnili vyriešiť tieto otázky. V prvom desaťročí svojho pôsobenia ako univerzitný profesor a riaditeľ laboratória sa Rutherford sústredil najmä na vytváranie prvotriednych výskumných skupín. Ukázal sa ako ľudský a solidárny vedúci, ktorý sa postaral o to, aby študenti získali uznanie za výskum, ktorý viedol. Na univerzite viedol kampaň za to, aby ženy mali rovnaké práva ako muži.
V roku 1925 Rutherford naposledy odcestoval do Austrálie a na Nový Zéland. Počas svojej šesťtýždňovej návštevy Nového Zélandu mal niekoľko verejných prednášok. Všade, kde prednášal, sa mu dostalo úctivého prijatia. Sály boli plné ľudí, ktorí si chceli vypočuť jeho rozprávanie o štruktúre atómu. Rutherford vyhlásil, že bol vždy hrdý na to, že je Novozélanďan. Vyjadril podporu vzdelávaniu a výskumu a odporučil, aby sa uskutočnil vedecký výskum, ktorý by bol prínosom pre poľnohospodárov. Vďaka jeho podpore bol v roku 1926 na Novom Zélande založený Inštitút vedeckého a priemyselného výskumu. Počas svojej návštevy Nového Zélandu strávil čas aj podporou svojich chorých rodičov.
Jediná dcéra Rutherfordovcov Eileen sa vydala za Ralpha Fowlera, matematického fyzika z Cavendishovho laboratória. Mali štyri deti, všetky boli veľmi vzdelané. Na rodinu Rutherfordovcov padol smútok, keď Eileen v roku 1930 zomrela na krvnú zrazeninu vo veku len 29 rokov, deväť dní po narodení najmladšieho dieťaťa a len dva dni pred Vianocami 1930. Na Nový rok toho roku bola Rutherfordová vymenovaná za baróna Rutherforda z Nelsonu, ale túto poctu zatienil smútok zo smrti jej dcéry.
S rozvojom technológií boli 30. roky 20. storočia zlatým obdobím Rutherfordových výskumných tímov. V roku 1932 James Chadwick objavil neutrón a dokázal, že jadro sa skladá z protónov a neutrónov. Rutherford predpovedal existenciu neutrónu o desať rokov skôr a usmernil Chadwicka v jeho výskume tým, že mu povedal, aké vlastnosti by mal neutrón mať. V tom istom roku sa Johnovi Cockcroftovi a Ernestovi Waltonovi podarilo rozštiepiť atóm lítia bombardovaním protónmi, jadrami atómu vodíka, urýchlenými na veľmi vysokú rýchlosť vysokonapäťovým urýchľovačom. Atóm lítia sa rozdelil na dve častice alfa. Za svoju prácu neskôr v roku 1951 získali Nobelovu cenu za fyziku.
Po vynájdení mračnej komory (anglický fyzik Charles Wilson, Nobelova cena za fyziku v roku 1927) sa podarilo získať vizuálny dôkaz o tom, čo sa v skutočnosti deje pri zrážkach. Anglický fyzik Patrick Blackett použil mrakovú komoru na štúdium 400 000 zrážok alfa častíc a zistil, že väčšina z nich boli obyčajné pružné zrážky. Niektoré zrážky však viedli k rozpadu. Pri nich alfa žiarenie preniklo do jadra cieľového iónu, po čom sa jadro rozdelilo na dve časti. Bol to veľmi dôležitý krok v pochopení jadrových reakcií a Blackett za svoje výsledky získal v roku 1948 Nobelovu cenu za fyziku. Pod Rutherfordovým vedením sa začala veľká vedecká éra. Rutherford pred rokmi predpokladal, že na preniknutie do jadra atómu by bolo potrebné, aby častice urýchlené o niekoľko miliónov voltov zodpovedali energii častíc odstránených z rádioaktívneho atómu. S týmto cieľom roky tlačil na priemysel svojej krajiny, aby vyvíjal vysokonapäťové zdroje. George Gamow a Norman Feather však vo svojom vlastnom výskume urobili objav, ktorý ukázal, že častice s nižšou energiou sú pri prenikaní do jadra atómu účinnejšie. Rutherford uviedol do prevádzky nízkonapäťový urýchľovač častíc s oveľa lepším tokom častíc. Gilbert Lewis tak mohol experimentovať s ťažším vodíkom, deutériom a tríciom, a ľahkým héliom (He-3). V roku 1932 sa Rutherfordovi, austrálskemu fyzikovi Markovi Oliphantovi a nemeckému chemikovi Paulovi Harteckovi podarilo dosiahnuť prvú fúznu reakciu. Bombardovali deutérium (2H) deuterónmi (2H+), čím vzniklo trícium (3H). Rutherford dúfal, že jadrové štiepenie, ktoré dokáže efektívne uvoľňovať energiu z uránu, bude objavené až vtedy, keď ľudia budú môcť žiť v harmónii so svojimi susedmi. To sa však podarilo až niekoľko rokov po jeho smrti.
Epilóg
Rutherford mal okrem vedy niekoľko záujmov, najmä golf a motorizmus. Bol liberál, ale nebol politicky aktívny, hoci bol členom poradného zboru Vládneho inštitútu pre vedecký a priemyselný výskum a predsedom pomocnej akademickej rady.
Počas svojho života získal Rutherford mnoho vedeckých ocenení a čestných doktorátov v mnohých krajinách, ako aj granty od mnohých spoločností a organizácií. Je po ňom pomenovaných niekoľko budov a objavil sa na poštových známkach v štyroch rôznych krajinách a na novozélandských bankovkách. Na jeho počesť je pomenovaný prvok rutherfordium.
Rutherford zomrel 19. októbra 1937 v Cambridgei vo veku 66 rokov na komplikácie po operácii prietrže a bol pochovaný vo Westminsterskom opátstve v Londýne. Lady Rutherfordová odišla na starobný dôchodok na rodnom Novom Zélande v Christchurchi, kde v roku 1954 zomrela.
„Bolo to takmer také neuveriteľné, ako keď bombardujete papierové vreckovky 15-centimetrovými projektilmi a tie sa odrážajú späť a zasahujú ma.“ (Rutherford povedal, že jeho experiment bol výsledkom výskumu, ktorý viedol k objaveniu atómového jadra.)
