Ernest Rutherford, 1. baron Rutherford Nelsonski [êrnest ráθerford], PRS, novozelandski fizik, * 30. avgust 1871, Brightwater, Nelson, Nova Zelandija, † 19. oktober 1937, Cambridge, grofija Cambridgeshire, Anglija.
Ernest Rutherford je bil novozelandski fizik, ki je opravljal pionirske raziskave v atomski in jedrski fiziki. Znan je kot "oče jedrske fizike". Enciklopedija Britannica ga smatra za največjega znanstvenika eksperimentalca od Michaela Faradaya (1791-1867). Leta 1908 je prejel Nobelovo nagrado za kemijo za svoje raziskave razpolovne dobe elementov in kemije radioaktivnih snovi. Bil je prvi nobelovec iz Oceanije in prvi, ki je nagrajeno delo opravil v Kanadi.
Rutherfordova odkritja vključujejo koncept radioaktivne razpolovne dobe, radioaktivni element radon ter razlikovanje in poimenovanje sevanja alfa in beta. Skupaj s Thomasom Roydsom je Rutherford zaslužen za dokaz, da je alfa sevanje sestavljeno iz helijevih jeder. Leta 1911 je postavil teorijo, da imajo atomi svoj naboj skoncentriran v zelo majhnem jedru. Do te teorije je prišel s svojim odkritjem in interpretacijo Rutherfordovega sipanja med eksperimentom z zlato folijo, ki sta ga izvedla Hans Geiger in Ernest Marsden. Leta 1912 je povabil Nielsa Bohra, da se pridruži njegovemu laboratoriju, kar je vodilo do Bohr-Rutherfordovega modela atoma. Leta 1917 je izvedel prvo umetno inducirano jedrsko reakcijo z izvajanjem poskusov, pri katerih so jedra dušika obstreljevali z delci alfa. Ti poskusi so ga pripeljali do odkritja emisije subatomskega delca, ki ga je sprva poimenoval "vodikov atom", kasneje pa (natančneje) preimenoval v proton. Zaslužen je tudi za razvoj sistema atomskega številčenja skupaj s Henryjem Moseleyjem. Njegovi drugi dosežki vključujejo napredek na področju radijskih komunikacij in ultrazvočne tehnologije.
Leta 1919 je postal vodja Cavendishovega laboratorija na Univerzi v Cambridgeu. Pod njegovim vodstvom je leta 1932 James Chadwick odkril nevtron. Istega leta sta študenta pod njegovim nadzorom John Cockcroft in Ernest Walton izvedla prvi poskus popolnoma nadzorovane razdelitve jedra. V čast njegovemu znanstvenemu napredku je bil Rutherford imenovan za barona Združenega kraljestva. Po smrti leta 1937 so Rutherforda pokopali v Westminstrski opatiji blizu Charlesa Darwina in Isaaca Newtona. Leta 1997 so po njem poimenovali 104. element - rutherfordij.
Zgodnje življenje in izobraževanje Ernest Rutherford se je rodil 30. avgusta 1871 v Brightwaterju, mestu blizu Nelsona na Novi Zelandiji. Bil je četrti od dvanajstih otrok Jamesa Rutherforda, priseljenega kmeta in mehanika iz Pertha na Škotskem, in njegove žene Marthe Thompson, učiteljice iz Hornchurcha v Angliji. Na Rutherfordov rojstni list so ime pomotoma napisali kot 'Earnest'. V družini so ga klicali Ern.
Ko je bil Rutherford star pet let, se je preselil v Foxhill na Novi Zelandiji in obiskoval tamkajšnjo šolo. Pri 11-ih letih leta 1883 se je družina Rutherford preselila v Havelock, mesto v Marlborough Soundsu. Za selitev so se odločili, da bi bili bližje tovarni lanu, ki jo je zgradil Rutherfordov oče. Ernest se je naprej izobraževal na tamkajšnji šoli.
Leta 1887 je v drugem poskusu dobil štipendijo za študij na kolidžu Nelson. Na prvem izpitu je dosegel najvišjo oceno med vsemi na Nelsonu. Ko je prejel štipendijo, je prejel 580 od 600 možnih točk. Po prejemu štipendije mu je šola Havelock poklonila pet zvezkov knjig z naslovom The Peoples of the World. Med letoma 1887 in 1889 je študiral na kolidžu Nelson, leta 1889 pa je postal najboljši študent. Igral je tudi v šolski ragbi ekipi. Ponudili so mu delo v vladni službi, a ga je odklonil, saj mu je ostalo še 15 mesecev študija.
Leta 1889 je v drugem poskusu dobil štipendijo za študij na kolidžu Canterbury Univerze Nove Zelandije med letoma 1890 in 1894. Sodeloval je v debatnem društvu in v znanstvenem združenju. V Canterburyju je leta 1892 prejel diplomo iz latinščine, angleščine in matematike, leta 1893 magistriral iz matematike in fizike ter leta 1894 diplomiral iz kemije in geologije.
Po izumu nove oblike radijskega sprejemnika je leta 1895 prejel raziskovalno štipendijo kraljeve komisije iz leta 1851Arhivi 1851 Royal Commission za potovanje v Anglijo na podiplomski študij v Cavendish laboratorij Univerze v Cambridgeu. Leta 1897 je prejel diplomo raziskovalca in Coutts-Trotterjevo študentsko mesto na kolidžu Trinity v Cambridgeu.
Znanstvena kariera
Ko je Rutherford začel študirati na Cambridgeu, je bil med prvimi "tujci" (tistimi brez diplome iz Cambridgea), ki jim je bilo dovoljeno raziskovati na univerzi, poleg tega pa ga je doletela čast, da je študiral pri J. J. Thomsonu.
S Thomsonovo spodbudo je Rutherford zaznal radijske valove na 0,5 milje (800 m) in za kratek čas držal svetovni rekord v razdalji, na kateri je bilo mogoče zaznati elektromagnetne valove. Ko je predstavil svoje rezultate na srečanju Britanskega združenja leta 1896, je odkril, da ga je že presegel Guglielmo Marconi, čigar radijski valovi so poslali sporočilo preko skoraj 10 milj (16 km).
Delo z radioaktivnostjo Spet pod Thomsonovim vodstvom je Rutherford delal na prevodnih učinkih rentgenskih žarkov na pline, kar je vodilo do odkritja elektrona. Rezultate je Thomson prvič predstavil leta 1897. Ko je izvedel za izkušnje Henrija Becquerela z uranom, je Rutherford začel raziskovati njegovo radioaktivnost in odkril dve vrsti, ki sta se od rentgenskih žarkov razlikovala po prodorni moči. Med nadaljevanjem raziskav v Kanadi je leta 1899 skoval izraza "žarek alfa" in "žarek beta", da bi opisal ti dve različni vrsti sevanja.
Leta 1898 je bil Rutherford na Thomsonovo priporočilo sprejet na mesto profesorja fizike pri Macdonaldu na univerzi McGill v Montrealu v Kanadi. Med letoma 1900 in 1903 se mu je na McGillu pridružil mladi kemik Frederick Soddy (Nobelova nagrada za kemijo leta 1921), kateremu je postavil nalogo prepoznati žlahtni plin, ki ga oddaja radioaktivni element torij, snov, ki je bila sama radioaktivna in bi prekrivala druge snovi. Ko je izločil vse običajne kemične reakcije, je Soddy prišel do zaključka, da mora to biti eden od inertnih plinov, ki so ga poimenovali toron. Kasneje je bilo ugotovljeno, da je ta snov 220Rn, izotop radona. Odkrili so tudi drugo snov, ki so jo poimenovali Thorium X, kasneje označeno kot 224Rn, in nadaljevali z iskanjem sledi helija. Delali so tudi z vzorci "urana X" (protaktinija) Williama Crookesa in radija Marie Curie. Rutherford je nadalje raziskoval thoron v povezavi z R. B. Owensom in ugotovil, da vzorec radioaktivnega materiala katere koli velikosti vedno potrebuje enak čas, da polovica vzorca razpade (v tem primeru 111⁄2 minut), pojav, za katerega je skoval izraz "razpolovni čas". Rutherford in Soddy sta objavila svoj članek "Zakon radioaktivne spremembe", da bi pojasnila vse svoje poskuse. Do takrat se je domnevalo, da so atomi neuničljiva osnova vse snovi; in čeprav je Curie menila, da je radioaktivnost atomski pojav, je bila zamisel o atomih radioaktivnih snovi, ki razpadejo, radikalna nova ideja. Rutherford in Soddy sta dokazala, da je radioaktivnost vključevala spontani razpad atomov v drugo, še neidentificirano snov.
Leta 1903 je Rutherford obravnaval vrsto sevanja, ki ga je odkril (vendar ne poimenoval) francoski kemik Paul Villard leta 1900, kot emisijo radija, in ugotovil, da mora to predstavljati nekaj drugega od njegovih lastnih alfa in beta žarkov, saj je ugotovil, da ima veliko večjo prodorno moč. Rutherford je zato tej tretji vrsti sevanja dal ime gama žarek. Vsi trije Rutherfordovi izrazi so danes v standardni uporabi – od takrat so odkrili še druge vrste radioaktivnega razpada, vendar so Rutherfordove tri vrste med najpogostejšimi. Leta 1904 je Rutherford sklenil, da radioaktivnost zagotavlja vir energije, ki zadostuje za razlago obstoja Sonca za več milijonov let, potrebnih za počasno biološko evolucijo na Zemlji, kot so menili biologi, med drugim Charles Darwin. Fizik Lord Kelvin je že prej zagovarjal veliko mlajšo Zemljo na podlagi nezadostnosti znanih virov energije, toda Rutherford je na predavanju, ki se ga je udeležil Kelvin, poudaril, da bi radioaktivnost lahko rešila ta problem. Kasneje istega leta je bil izvoljen za člana Ameriškega filozofskega društva in se je leta 1907 vrnil v Veliko Britanijo, da bi prevzel katedro za fiziko na univerzi Victoria v Manchestru.
V Manchestru je Rutherford nadaljeval svoje delo z alfa sevanjem. V sodelovanju s Hansom Geigerjem je razvil scintilacijske zaslone s cinkovim sulfidom in ionizacijske komore za štetje delcev alfa. Z delitvijo celotnega naboja, nabranega na zaslonu, s preštetim številom, je Rutherford ugotovil, da je naboj na delcu alfa dva. Konec leta 1907 sta Ernest Rutherford in Thomas Royds izvedla poskus, kjer so alfa žarki prodrli skozi zelo tanko okence v izpraznjeni cevi. Ko so cev sprožili v razelektritev, se je spekter, dobljen iz nje, spremenil, saj so se alfa atomi kopičili v cevi. Sčasoma se je pojavil jasen spekter helijevega plina, kar dokazuje, da so alfa atomi najmanj ionizirani helijevi atomi, verjetno pa helijeva jedra. Leta 1910 je Rutherford z Geigerjem in matematikom Harryjem Batemanom objavil članek,Bulmer, M. G. (1979). Principles of Statistics. United Kingdom: Dover Publications. ki opisuje prvo analizo porazdelitve radioaktivnega sevanja v času, porazdelitev, ki se zdaj imenuje Poissonova porazdelitev.
Ernest Rutherford je leta 1908 prejel Nobelovo nagrado za kemijo "za svoje raziskave razpadanja elementov in kemije radioaktivnih snovi".
Model atoma
Rutherford je nadaljeval z revolucionarnimi odkritji še dolgo po prejemu Nobelove nagrade leta 1908. Pod njegovim vodstvom sta leta 1909 Hans Geiger in Ernest Marsden izvedla eksperiment, ki je pokazal jedrsko naravo atomov z merjenjem odklona delcev alfa, ki gredo skozi tanko zlato folijo. Rutherford je Geigerja in Marsdena v tem poskusu prosil, naj poiščeta delce alfa z zelo velikimi odklonskimi koti, česar se ni pričakovalo po nobeni teoriji materije v tistem času. Takšni odklonski koti so bili najdeni, čeprav redki. Ko je Rutherford razmišljal o teh rezultatih v enem svojih zadnjih predavanj, je dejal: "To je bil najbolj neverjeten dogodek, ki se mi je zgodil v mojem življenju. Bilo je skoraj tako neverjetno, kot če bi izstrelili 15-palčno granato na kos svilenega papirja in bi se ta vrnila nazaj ter vas zadela." Rutherfordova interpretacija teh podatkov ga je vodila, do teorije, da je jedro zelo majhno, nabito območje, ki vsebuje velik del mase atoma.
Leta 1912 se je Rutherfordu pridružil Niels Bohr (ki je domneval, da se elektroni gibljejo po specifičnih orbitah okoli kompaktnega jedra). Bohr je prilagodil Rutherfordovo jedrsko strukturo, da bi bila skladna s kvantno hipotezo Maxa Plancka. Nastali Rutherford-Bohrov model je bil osnova za Heisenbergovo kvantno mehansko atomsko fiziko, ki velja še danes.
Piezoelektričnost Med prvo svetovno vojno je Rutherford delal na strogo zaupnem projektu za reševanje praktičnih problemov odkrivanja podmornic. Tako Rutherford kot Paul Langevin sta predlagala uporabo piezoelektrike in Rutherford je uspešno razvil napravo, ki je merila njeno izhodno moč. Uporaba piezoelektrike je nato postala bistvena za razvoj ultrazvoka, kot ga poznamo danes. Trditev, da je Rutherford razvil sonar, pa je napačna, saj tehnologije subakvatičnega zaznavanja uporabljajo Langevinov pretvornik.
Odkritje protona