Ernest Rutherford: biografija, odkritja in zanimiva dejstva

Ernest Rutherford (slika spodaj), Baron Rutherford Nelson in Cambridge (rojen 30.8.1871 v Spring Grove, Nova Zelandija - umrl 19.10.1937 v Cambridgeu, Anglija) - britanski fizik iz Nove Zelandije, ki velja za največjega eksperimentatorja iz časa Michaela Faradaya (1791–1867). Bil je osrednja oseba pri proučevanju radioaktivnosti, njegov koncept strukture atoma pa je prevladoval nad jedrsko fiziko. Leta 1908 je prejel Nobelovo nagrado, bil je predsednik Kraljeve družbe (1925–1930) in Britanskega združenja za napredek znanosti (1923). Leta 1925 je bil sprejet v red za zasluge in leta 1931 je prejel naziv Peer, prejel je naziv Lord Nelson.

Ernest Rutherford: kratka biografija v zgodnjih letih življenja

Oče Ernesta Jamesa je sredi 19. stoletja svojega otroka preselil iz Škotske na Novo Zelandijo, ki so jo šele pred kratkim naselili Evropejci, kjer se je ukvarjal s kmetijstvom. Rutherfordova mama, Martha Thompson, je prišla iz Anglije kot najstnik in je delala kot učiteljica, dokler se ni poročila in imela deset otrok, od katerih je bil Ernest četrti (in drugi sin).

Ernest je študiral na brezplačnih javnih šolah do leta 1886, ko je dobil štipendijo za študij na zasebni gimnaziji Nelson. Nadarjeni učenec se je odlikoval v skoraj vsakem predmetu, predvsem pa v matematiki. Še ena štipendija je pomagala Rutherfordu vpisati leta 1890 na Canterbury College, eno od štirih kampusov Univerze v Novi Zelandiji. Bila je majhna izobraževalna ustanova, ki je imela le osem učiteljev, vendar jih je bilo manj kot 300. Mladi talent je imel srečo, da je imel odlične učitelje, ki so vzbudili njegovo zanimanje za znanstvene raziskave, podprte z zanesljivimi dokazi.

Po končanem triletnem študiju je Ernest Rutherford postal prvostopnik in dobil štipendijo za eno leto študija na Canterbury Graduate School. Konec leta 1893 ga je dokončal in magistriral - prvo stopnjo iz fizike, matematike in matematične fizike. Prosili so ga, naj ostane še eno leto v Christchurchu za neodvisne poskuse. Rutherfordova študija o sposobnosti visokofrekvenčnega električnega praznjenja, na primer iz kondenzatorja, da magnetizira železo konec leta 1894, mu je prinesla diplomo iz naravoslovja. V tem obdobju se je zaljubil v Mary Newton, hčerko ženske, v kateri se je naselil. Poročili so se leta 1900. Leta 1895 je Rutherford prejel štipendijo, imenovano po svetovnem sejmu leta 1851 v Londonu. Odločil se je, da bo svoje raziskave nadaljeval v laboratoriju Cavendish, ki ga je leta 1884 vodil JJ Thomson, vodilni evropski strokovnjak na področju elektromagnetnega sevanja.

Cambridge

Zaradi vse večjega pomena znanosti je Univerza v Cambridgeu spremenila pravila, kar je omogočilo diplomantom drugih univerz, da po dveh letih študija in opravljanju sprejemljivega znanstvenega dela prejmejo diplomo. Prvi raziskovalec je bil Rutherford. Ernest, poleg dokazovanja magnetizacije z nihajočim odvajanjem železa, je ugotovil, da igla izgubi nekaj svoje magnetizacije v magnetnem polju, ki ga ustvari izmenični tok. To je omogočilo ustvarjanje detektorja na novo odkritih elektromagnetnih valov. Leta 1864 je škotski teoretični fizik James Clerk Maxwell napovedal njihov obstoj in leta 1885-1889. Nemški fizik Heinrich Hertz jih je odkril v svojem laboratoriju. Naprava za odkrivanje radijskih valov Rutherford je bila enostavnejša in je imela komercialni potencial. Naslednje leto je mladi znanstvenik preživel v laboratoriju Cavendish in tako povečal obseg in občutljivost naprave, ki je lahko sprejemala signale na razdalji pol milje. Vendar pa Rutherford ni imel interkontinentalne vizije in podjetniških veščin Italijana Guglielma Marconija, ki je izumil brezžični telegraf leta 1896.

Ionizacijske študije

X-žarki je v Nemčiji odkril Wilhelm Conrad Roentgen le nekaj mesecev po pojavu Rutherforda v Cavendishu. Vsi so bili zelo zainteresirani za sposobnost fotografiranja kosti živeče osebe. Znanstveniki so želeli izvedeti več o lastnostih čudežnih žarkov in o tem, kaj so, in Rutherford je bil med tistimi, ki so radovedni. Ernest ni mogel zavrniti Thomsonovega častnega povabila k sodelovanju pri preučevanju, kako rentgenski žarki spreminjajo prevodnost plinov. Rezultat je bilo klasično delo na področju ionizacije - ločevanje atomov ali molekul v pozitivne in negativne dele (ione) in privlačnost nabitih delcev v elektrode nasprotne polarnosti.

Študije sevanja

Thomson je nato začel preučevati razmerje naboj-masa najpogostejšega iona, ki je pozneje postal znan kot elektron, medtem ko je Rutherford preučil druge vrste sevanja, ki so ustvarile ione. Obrnil se je na ultravijolično, nato pa na sevanje, ki ga oddaja uran, ki ga je leta 1896 prvič odkril francoski fizik Henri Becquerel. Dajanje urana v bližini tanke folije je Rutherfordu omogočilo razumeti, da je sevanje bolj zapleteno, kot se je prej mislilo: ena od njenih vrst je zlahka absorbirala ali blokirala zelo tanek sloj kovine, drugi pa ga je pogosto prodiral. Zaradi poenostavitve je te tipe imenoval sevanje "alfa" in "beta". Kasneje je bilo ugotovljeno, da α-delci ustrezajo jedru atoma helija in so sestavljeni iz dveh protonov in dveh nevtronov, medtem ko so β-delci elektron ali njegov pozitivni variantni pozitron. V naslednjih nekaj letih je bilo preučevanje tega sevanja primarni interes, nato pa se je pozornost znanosti preusmerila na radioaktivne elemente.

McGill University

Kako je nadaljevalo življenje in kariero takega znanstvenika, kot je Ernest Rutherford? Biografija Fizika pravi, da je kmalu ponudil profesorja na kanadski univerzi McGill v Montrealu, ki se je lahko pohvalila z enim od najbolje opremljenih laboratorijev na zahodni polobli. Pozoren na eno od takrat znanih radioaktivnih elementov on in njegov kolega sta odkrila, da torij sprosti plinasti produkt, ki ga je znanstvenik imenoval "emanacija". Po drugi strani pa je pustil trdne usedline, ki so se kmalu pretvorile v torij A, B, C itd. Zanimivo je, da so po kemični obdelavi nekatere snovi izgubile radioaktivne lastnosti, vendar so jih nazadnje obnovile, druge pa materiali, sprva močni, postopoma izgubili aktivnost. To je pripeljalo do koncepta razpolovne dobe - časovnega intervala, potrebnega za razpad polovice atomskih jeder vzorca, ki sega od nekaj sekund do milijard let, kar je edinstveno za vsak radioaktivni element in je zato odlično sredstvo za njihovo identifikacijo.

Teorija transformacij

Rutherford je potreboval pomoč kemičnega strokovnjaka, da bi se spopadel z vse večjim številom radioaktivnih elementov. Od McGilla je risal Fredericka Soddyja, profesorja na univerzi Yale Bertram Borden Boltwood in raziskovalca iz Nemčije Otta Hahna. Od Soddyja leta 1902-1903 Razvil je teorijo transformacije, ki pojasnjuje pojav radioaktivnosti. Alkemija je s svojimi poskusi, da bi svinec spremenila v zlato, že dolgo izločena iz sodobne kemije. Atomi so veljali za stabilne. Toda Rutherford in Soddy sta trdila, da iz njih izhaja energija radioaktivnosti, spontana emisija α- ali β-delcev pa pomeni kemijsko transformacijo enega elementa v drugega. Pričakovali so, da bo ta ikonoklastična teorija zavrnjena, avtoriteta številnih eksperimentalnih dokazov pa je zatirala nasprotovanje.

Kmalu je bilo ugotovljeno, da so radioaktivni elementi razdeljeni v tri vrste, ki jih vodijo uran, torij in aktinij, vsi pa vodijo v nastanek neaktivnega svinca. Boltwood je dal radij v uransko skupino in po nasvetu Rutherforda uporabil počasi naraščajočo količino svinca v mineralu, da bi dokazal, da so skale stare milijarde let. Slednji je verjel, da ima alfa delček, ki ima oprijemljivo maso, ključno vlogo pri transformaciji elementov. Ugotovil je, da nosi pozitivni naboj, vendar ni mogel ugotoviti, ali gre za vodik ali helij.

Poročen in slaven

V McGillu se je Ernest Rutherford (slika v članku) poročil s svojo ljubljeno iz Nove Zelandije in postal znan. V svoj laboratorij, vključno z ženskami, je povabil številne študente, ki so se ukvarjali z znanostjo. Fizik Ernest Rutherford je bil priljubljen predavatelj in avtor člankov v časopisih in revijah. Leta 1904 je napisal tudi vodilni učbenik o radioaktivnosti. Imel je nagrade, članstvo v londonski Royal Society in neizogibne ponudbe sodelovanja.

Univerza v Manchestru

V Severni Ameriki je bila dobra znanstvena skupnost, toda svetovno fizično središče je bilo v Evropi. Ernest Rutherford, Nobelova nagrada za kemijo, ki je bila nagrajena za svoje delo v Montrealu leta 1908, je dobila službo na oddelku Univerze v Manchestru, čigar laboratorij je bil drugič le Cavendish.

Ernest Rutherford je skupaj z nemškim fizikom Hansom Geigerom ustvaril električni števec ioniziranih delcev. Geiger je izboljšal merilnik in postal univerzalni instrument za merjenje radioaktivnosti. Rutherford in njegov učenec Thomas Royds sta s pomočjo spretnosti steklarnega puhala identificirala nekaj α-delcev in izvedla spektrokemijsko analizo, ki je dokazala, da so to helijovi ioni. Potem je Boltwood obiskal laboratorij Univerze v Manchestru in skupaj z novozelandskim fizikom določil hitrost tvorbe helija iz radija, iz katere sta izračunala natančno vrednost. Številke Avogadro.

Ne da bi zapustil svojo dolgoletno fascinacijo z alfa delci, je Rutherford preučil njihovo majhno sipanje po interakciji s folijo. Geiger se mu je pridružil in dobili so bolj smiselne podatke. Leta 1909, ko je dodiplomski Ernest Marsden iskal temo svojega raziskovalnega projekta, ga je Ernest povabil, naj preuči velike razpršilne kote. Marsden je ugotovil, da je majhno število α-delcev odstopilo za več kot 90 ° od svoje prvotne smeri, kar je spodbudilo Rutherforda, da je vzkliknil, da je skoraj tako neverjetno, kot da bi se 15-palčni projektil, ki se je začel v list papirja, vrnil nazaj in udaril strelca.

Atomski model

Razmislek o tem, kako se lahko tako težko nabite delce odkloni z elektrostatičnim privlačenjem ali odbijanjem pri tako velikem kotu, leta 1944 Rutherford je sklenil, da atom ne more biti homogeno trdno telo. Po njegovem mnenju je vseboval predvsem prazen prostor in drobno jedro, v katerem je bila skoncentrirana vsa njena masa. Atomski model Rutherforda Ernesta potrjujejo številni eksperimentalni dokazi. Postala je njegov največji znanstveni prispevek, toda izven Manchestra je dobila malo pozornosti. Leta 1913 pa je danski fizik Niels Bohr pokazal pomen tega odkritja. Leto prej je obiskal Rutherfordov laboratorij in se mu kot član fakultete vrnil leta 1914–1916. Radioaktivnost, je pojasnil, je v jedru, kemijske lastnosti pa določajo orbitalni elektroni. Model Bohrovega atoma je privedel do novega koncepta kvantov (ali diskretnih energijskih vrednosti) v elektrodinamiki orbit in pojasnil spektralne črte kot sproščanje ali absorpcijo energije s strani elektronov, ko se premikajo iz ene orbite v drugo. Henry Mosley, še eden izmed Rutherfordovih številnih študentov, je na podoben način pojasnil zaporedje spektra rentgenskih žarkov elementov z jedrskim nabojem. Tako smo razvili novo koherentno sliko fizike atoma.

Podmornice in jedrska reakcija

Prva svetovna vojna je opustila laboratorij, ki ga je vodil Ernest Rutherford. Zanimiva dejstva iz življenja fizika v tem obdobju se nanašajo na njegovo sodelovanje pri razvoju sredstev za boj proti podmornicam, pa tudi na članstvo v Svetu za izume in znanstvene raziskave. Ko je vzel čas, da se vrne k svojemu prejšnjemu znanstvenemu delu, je začel študirati trčenje alfa delcev s plini. V primeru vodika, kot je bilo pričakovano, je detektor zabeležil nastanek posameznih protonov. Toda protoni so se pojavili tudi pri bombardiranju dušikovih atomov. Leta 1919 je Ernest Rutherford odkril odkritje z drugim: uspel je umetno izzvati jedrsko reakcijo v stabilnem elementu.

Vrnite se v Cambridge

Jedrske reakcije so zasedle znanstvenika v svoji karieri, ki se je ponovno odvijalo v Cambridgeu, kjer je leta 1919 Thomsonov naslednik kot direktor laboratorija Cavendish University postal Rutherford. Ernest je prinesel svojega kolega z univerze v Manchestru - fizika Jamesa Chadwicka. Skupaj so bombardirali alfa delce z vrsto lahkih elementov in povzročili jedrske transformacije. Toda ne morejo prodreti v težja jedra, ker so se α-delci zaradi istega naboja odbijali od njih, znanstveniki pa niso mogli ugotoviti, ali se je to zgodilo ločeno ali skupaj s tarčo. V obeh primerih je bila potrebna naprednejša tehnologija.

Višje energije v pospeševalnikih delcev, ki so potrebne za reševanje prvega problema, so postale dostopne v poznih 1920-ih. Leta 1932 sta bila Rutherfordova dva študenta, Anglež John Cockroft in Irac Ernest Walton, prvi, ki sta dejansko povzročila jedrsko preobrazbo. S pomočjo visokonapetostnega linearnega pospeševalnika so bombardirali litij s protoni in ga razdelili na dva α-delca. Za to delo so leta 1951 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko. Škot Charles Wilson v Cavendishu je ustvaril megleno kamero, ki je vizualno potrdila trajektorijo nabitih delcev, za katero je dobil isto prestižno mednarodno nagrado leta 1927. Angleški fizik Patrick Blackkett je leta 1924 spremenil Wilsonovo kamero in fotografiral približno 400.000 alfa. in ugotovili, da je bila večina od njih navadna elastična, 8 pa jih je spremljalo razpadanje, v katerem je α-delček absorbiral ciljno jedro, preden se je razdelil na dva fragmenta. To je bil pomemben korak v razumevanju jedrskih reakcij, za katere je Blackett leta 1948 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.

Odkrivanje nevtronov in termonuklearna fuzija

Cavendish je postal prizorišče za druga zanimiva dela. Obstoj nevtrona je napovedal Rutherford leta 1920. Po dolgem iskanju leta 1932 je Chadwick odkril ta nevtralni delček, kar dokazuje, da je jedro sestavljeno iz nevtronov in protonov, njegov kolega, angleški fizik Norman Feder, pa je kmalu pokazal, da lahko nevtroni lažje povzročijo jedrske reakcije kot nabiti delci. Delo z darilom, ki so ga nedavno odprli v ZDA težka voda Leta 1934 sta Rutherford, Mark Oliphant iz Avstralije in Paul Hartek iz Avstrije izvedla deuterijsko bombardiranje z deuteronom in izvedla prvo termonuklearno fuzijo.

Življenje zunaj fizike

Znanstvenik je imel več hobijev, ki niso povezani z znanostjo, ki je vključeval golf in motorna dirka. Skratka, Ernest Rutherford je spoštoval liberalna prepričanja, vendar ni bil politično aktiven, čeprav je bil predsednik strokovnega sveta vladnega Oddelka za znanstvene in industrijske raziskave in je bil do konca leta (od leta 1933) predsednik Sveta za akademsko pomoč, ki je bil ustanovljen za pomoč znanstvenikom, ki so pobegnili. iz nacistične Nemčije. Leta 1931 je postal peer, vendar je bil ta dogodek zasenčen zaradi smrti njegove hčerke, ki je umrla osem dni prej. Ugledni znanstvenik je umrl v Cambridgeu po kratki bolezni in je bil pokopan v Westminster Abbey.

Ernest Rutherford: zanimiva dejstva

• Študiral je na College of Canterbury University of New Zealand za štipendijo, diplomiral in magistriral, prav tako pa je dve leti razvijal dela, ki so privedla do izuma nove vrste radijskega sprejemnika.
• Ernest Rutherford je bil prvi diplomant, ki je diplomiral iz Cambridgea, ki mu je bilo dovoljeno raziskovati v laboratoriju Cavendish pod vodstvom Sir J. J. Thomsona.
• Med prvo svetovno vojno je delal na reševanju praktičnih problemov odkrivanja podmornic.
• Na univerzi McGill v Kanadi je Ernest Rutherford skupaj s kemikom Frederickom Soddyjem ustvaril teorijo atomskega razpada.
• Na Univerzi Victoria v Manchestru sta on in Thomas Royds dokazala, da alfa sevanje sestoji iz ionov helija.
• Rutherfordova raziskava o propadanju elementov in radioaktivnih snovi mu je leta 1908 prinesla Nobelovo nagrado.
• Njegov najslavnejši eksperiment Geiger - Marsden, ki je pokazal jedrsko naravo atoma, je fizik opravil po prejemu nagrade Švedske akademije.
• 104. kemični element je po njegovem imenu - rutherford, ki je v ZSSR in Ruski federaciji do leta 1997. se je imenoval Kurchatoviy.