Ernest Rutherford

Ernest RUTHERFORD BMO RSL (naskiĝis la 30-an de aŭgusto 1871 en Nelson, mortis la 19-an de oktobro 1937 en Kembriĝo) estis novzeland-devena brita fizikisto. La Encyclopædia Britannica konsideras lin la plej granda eksperimentisto ekde Michael Faraday (1791–1867).

En Novzelando, li studis fizikon kaj matematikon. En la jaro 1895, li vojaĝis al Britio, por daŭrigi siajn studojn en Kembriĝo. Ekde 1898, li okupis profesoran postenon en Montrealo (Kanado), kaj ekde 1907 li agadis en Manchester (Britio). Kulmino de lia kariero estis la gajno de la Nobel-premio pri kemio en 1908. Ekde 1919, li gvidis la laboratorion Cavendish en Kembriĝo. En la jaro 1931 li gajnis la nobeltitolon Lord Rutherford of Nelson.

La plej fama scienca merito de Ernest Rutherford estas lia kontribuo al la laŭ li nomata atommodelo, laŭ kiu malgranda centra parto koncentras ŝargon ĉirkaŭitan de nubo da elektronoj. Pro siaj esploroj pri radioaktiveco li nuntempe estas rigardata kiel unu el la fondintoj (la patro) de la nuklea fiziko.

En plej frua laboro, Rutherford malkovris la koncepton de radioaktiva duonvivo, la radioaktivan elementon radonon, kaj diferencigis kaj nomis la alfa kaj beta radiado. Tiu laboro estis plenumita en la Universitato McGill en Montrealo, Kebekio, Kanado. Ĝi estas la bazo por la Premio Nobel de Kemio kiun li ricevis en 1908 "pro sia esplorado pri la disintegrado de elementoj, kaj la kemio de radioaktivaj substancoj", pri kiu li estis la unua Nobel-premiito kaj el Kanado kaj el Oceanio.

Rutherford translokiĝis en 1907 al la Viktoria Universitato de Manĉestro (nuntempe Universitato de Manĉestro) en Unuiĝinta Reĝlando, kie li kaj Thomas Royds pruvis ke alfa radiado estas kernoj de heliumo. Rutherford fakte plenumis sian plej faman laboron post ricevi la Nobel-premion. En 1911, kvankam li ne povis pruvi, ĉu ĝi estas pozitiva aŭ negativa, li teoriumis, ke atomoj havas sian ŝarĝon koncentritan en tre malgranda nukleo, kaj tiel pioniris la modelon Rutherford de la atomo, pere de sia malkovro kaj interpretado de la disiĝo Rutherford pere de la eksperimento Geiger–Marsden (laŭ Hans Geiger kaj Ernest Marsden). Li faris la unuan artefaritan nuklean reakcion en 1917 en eksperimentoj kie nitrogenaj nukleoj estis bombarditaj per alfa-partikloj. Kiel rezulto, li malkovris la elsendon de subatoma partiklo kiun, en 1919, li nomis la "hidrogena atomo" sed, en 1920, li pli akurate nomis protono.

Rutherford iĝis Direktoro de la Laboratorio Cavendish en la Universitato de Kembriĝo en 1919. Sub lia estreco la neŭtrono estis malkovrita de James Chadwick en 1932 kaj en la sama jaro la unua eksperimento por disigi la nukleon en tute kontrolita maniero estis plenumita de studentoj laborantaj sub lia direktorado, nome John Cockcroft kaj Ernest Walton. Post sia morto en 1937, li estis entombigita en la Abatejo Westminster apud la tombo de Sir Isaac Newton. La kemia elemento ruterfordio (elemento 104a) estis nomita laŭ li en 1997.

Biografio

Ekvivo kaj edukado 
Ernest Rutherford estis la filo de James Rutherford, farmisto, kaj de lia edzino Martha Thompson, origine el Hornchurch, Essex, Anglio. James estis elmigrinta al Nov-Zelando el Perth, Skotlando, "por kreski malmultan linon kaj multajn filojn". Ernest estis naskiĝinta en Brightwater, proksime al Nelson, Nov-Zelando. Lia unua nomo estis erare misliterumita 'Earnest' kiam lia nasko estis registrita. La patrino de Rutherford estis Martha Thompson nome instruistino de bazlernejo.

Li studis en la Lernejo Havelock, kaj poste en la Altlernejo Nelson kaj ricevis stipendion por studi en la Kolegio Canterbury, Universitato de Nov-Zelando, kie li partoprenis en la debatsocieto kaj ludis rugbeon. Post ricevi siajn BA, MA kaj BSc, kaj post du jaroj de esplorado dum kiuj li inventis novan formon de radio-ricevilo, en 1895 Rutherford ricevis la premion 1851 Research Fellowship el la Reĝa Komisiono por la Ekspozicio de 1851, por veturi al Anglio por postgradigaj studoj en la Laboratorio Cavendish de la Universitato de Kembriĝo. Li estis inter la unuaj el la 'aliens' (tiuj sen kembriĝa gradigo) rajtigitaj esplori en la universitato, sub la estreco de J. J. Thomson, kio starigis ĵaluzojn el pli konservativaj membroj de la Cavendish frataro. Danke al la kuraĝigo de Thomson, li sukcesis detekti radioondojn je duono da mejlo kaj portempe li tenis la mondan rekordon por la distanco je kiu elektromagnetaj ondoj povas esti detektataj, kvankam kiam li prezentis siajn rezultojn en la kunsido de la Brita Scienca Asocio en 1896, li malkovris, ke li estis superita de alia helpoprofesoro, nome Guglielmo Marconi.

En 1898, Thomson rekomendis Rutherford por posteno en la Universitato McGill en Montrealo, Kanado. Li estis anstataŭonta Hugh Longbourne Callendar kiu tenis la katedron de Profesoro Macdonald pri Fiziko kaj estis venanta al Kembriĝo. Rutherford estis akceptita, kio rezultis en tio ke en 1900 li povis edziĝi al Mary Georgina Newton (1876–1954) al kiu li engaĝiĝis antaŭ lasi Nov-Zelandon; ili geedziĝis en la Anglikana Preĝejo Sankta Paŭlo Papanui en Christchurch, ili havis unu filinon nome Eileen Mary (1901–1930), kiu edziniĝis al fizikisto kaj astronomo Ralph Fowler. En 1901, li akiris doktorigon el la Universitato de Nov-Zelando. En 1907, Rutherford revenis al Britio por enpostenigi en la katedro de fiziko de la Viktoria Universitato de Manĉestro.

Lastaj jaroj kaj honoroj 
Rutherford estis malalt-kavalirita en 1914. Dum la Unua Mondmilito, li laboris por sekreta projekto por solvi la praktikajn problemojn de submara detektado per sonaro. En 1916, li ricevis la premion de la Memormedalo Hector. En 1919, li revenis al la Laboratorio Cavendish sukcedante J. J. Thomson kiel la Profesoro Cavendish kaj Direktoro. Sub lia estreco, Nobel-premioj estis atribuitaj al James Chadwick pro la malkovro de la neŭtrono (en 1932), al John Cockcroft kaj Ernest Walton pro eksperimento kiu estos konata kiel disigo de la atomo uzante partiklan akcelilon, kaj al Edward Appleton pro demonstrado de la ekzisto de la jonosfero. En 1925, Rutherford alvokis al la Registaro de Nov-Zelando por subteni edukadon kaj esploradon, kio kondukis al la formado de la Departamento de Scienco kaj Industria Esplorado en la venonta jaro. Inter 1925 kaj 1930, li servis kiel Prezidanto de la Reĝa Societo de Londono, kaj poste kiel prezidanto de la Akademia Helpokonsilantaro kiu helpis preskaŭ 1000 universitatajn rifuĝintoj el Germanio. Li estis nomumita por la Brita Merit-Ordeno en 1925 kaj plialtigita al alt-kavalireco ("peerage") kiel Barono Rutherford de Nelson, de Kembriĝo en la Graflando Kembriĝo en 1931, titolo kiu estis nuligita post lia subita morto en 1937. En 1933, Rutherford estis unu el la du inaŭguraj ricevantoj de la Medalo T. K. Sidey, fare de la Reĝa Societo de Nov-Zelando kiel premio al elstara scienca esplorado.

Dum kelka tempo antaŭ lia morto, Rutherford havis malgrandan hernion, kiu malboniĝis ĝis la punkto ke li serioze malsaniĝis. Spite urĝan operacion en Londono, li mortis kvar tagojn post tio kion la kuracistoj terminigis kiel "intesta paralizo", en Kembriĝo. Post kremacio en la Kremaciejo Golders Green, oni entombigis liajn restaĵojn honore en la Abatejo Westminster, apud Isaac Newton kaj aliaj elstaraj britaj sciencistoj.

Sciencia esplorado 
En Kembriĝo, Rutherford komencis labori kun Joseph John Thomson pri la kondukaj efikoj de Rentgenradioj ĉe gasoj, laboro kiu kaŭzis la eltrovon de la elektrono kiun Thomson prezentis al la mondo en 1897. Aŭdinte pri la sperto de Becquerel ĉe uranio, Rutherford komencis esplori ĝian radioaktivecon, malkovrante du tipojn kiuj deviis de Rentgenradioj pri sia penetra povo. Daŭrigante sian esploradon en Kanado, li elpensis la esprimojn alfa-radio kaj beta-radio en 1899 por priskribi la du apartajn specojn de radiado. Li poste malkovris, ke torio dissendas gason kiu produktas eliĝon kiu estas mem radioaktiva kaj povas kovri aliajn substancojn. Li trovis, ke provaĵo el tiu radioaktiva materialo de iu ajn grandeco kutime prenis la saman kvanton de tempo por ke la duono de la provaĵo kadukiĝu - nome la "duoniĝa tempo" (11½ minutoj en tiu kazo).

De 1900 ĝis 1903, li estis aligita ĉe McGill de la juna kemiiisto Frederick Soddy (kiu ricevis Nobelpremion pri Kemio en 1921) por kiu li metis la problemon de identigado de la torieliĝoj. Post kiam li eliminis ĉiujn normalajn kemiajn reakciojn, Soddy indikis, ke ĝi devas esti unu el la inertaj gasoj, kiujn ili nomis "toron" (poste oni trovis, ke temas pri izotopo de radono). Ili ankaŭ trovis alian specon de torio kiun ili nomis Thorium X, kaj poste trovis spurojn de heliumo. Ili ankaŭ laboris kun provaĵoj de "Uranium X" de William Crookes kaj de radiumo de Marie Curie.

En 1903, ili produktis "Teorion de Atoma Disrompiĝo" (aŭ "Leĝo de Radioaktiva Ŝanĝo") por respondeci pri ĉiuj siaj eksperimentoj. Ĝis tiam oni supozis, ke atomoj estis nedetruebla bazo de ĉiu materio kaj kvankam Curie sugestis, ke radioaktiveco estis atomfenomeno, la ideo de la atomoj el radioaktivaj substancoj disiĝantaj estis radikale nova ideo. Ruterford kaj Soddy montris, ke radioaktiveco implikis la spontanean disrompiĝon de atomoj en aliajn specojn de atomojn (unu elemento spontanee estante ŝanĝita al alia) sed tio ankoraŭ ne estis identigita. La Nobel-premio pri kemio de 1908 estis atribuita al Ernest Rutherford "pro siaj esploroj pri la disintegriĝo de elementoj, kaj pri la kemio de radioaktivaj substancoj".

En 1903, Rutherford pripensis specon de radiado malkovrita (sed ne nomita) fare de franca kemiisto Paul Villard en 1900, kiel emisio de radiumo, kaj ekkomprenis, ke tiu observado devas reprezenti ion diferencan de sia propra alfa- kaj beta-radioj, pro ĝia tre multe pli granda penetra potenco. Rutherford tial havigis al tiu tria speco de radiado la nomon de gamma-radiado. Ĉiuj tri el la terminoj de Rutherford estas en normiga uzado hodiaŭ - aliaj specoj de radiaktiva disfalo poste estis malkovritaj, sed la tri tipoj de Rutherford estas inter la plej oftaj.

En 1904, Rutherford sugestis, ke radioaktiveco havigas energifonton sufiĉan por klarigi la ekzistadon de la Suno dum tiom da milionoj da jaroj postulita de la malrapida biologia evolucio de la Tero proponita de biologoj kiel Charles Darwin. La fizikisto Lord Kelvin estis iam argumentante por multe pli juna Tero (vidu ankaŭ artikolon geologio) bazite sur la nesufiĉo de konataj energifontoj, sed Rutherford indikis dum prelego en kiu ĉeestis Kelvin, ke radioaktiveco povus solvi tiun problemon.

En Manĉestro, li daŭre laboris pri alfa-radiado. Lige kun Hans Geiger, li evoluigis zink-sulfidajn scintilad-ekranojn kaj ionigajn ĉambrojn por nombri alfa-aĵojn. Per dividado de la suma ŝarĝo kiun ili produktis de la nombro kalkulita, Rutherford decidis, ke la ŝarĝo de la alfa-radio estas du. Poste en 1907, Ernest Rutherford kaj Thomas Royds permesis al alfaĵoj penetri tre maldikan fenestron en evakuitan tubon. Ĉar ili ekfunkciigis la tubon en senŝargiĝo, la spektro akirita de ĝi ŝanĝiĝis, kiam la alfaĵoj akumuliĝis en la tubo. Poste, la klara spektro de heliumgaso ekaperis, pruvante, ke alfaĵoj estis almenaŭ jonigitaj heliumatomoj, kaj verŝajne heliumnukleoj.

Ekzistis longdaŭra mito almenaŭ ekde 1948, ĝis almenaŭ 2017, ke Rutherford estis la unua sciencisto kiu observis kaj reportis artefaritan transmutacion de stabila elemento en alia elemento: nome nitrogeno en oksigenon. Multaj supozis, ke tiu estis unu el la plej grandaj atingoj de Rutherford. La Novzelanda registaro eĉ eldonis porokazan poŝtmarkon en la kredo, ke la nitrogen-al-oksigena malkovro apartenis al Rutherford. Ekde 2017, multaj sciencaj institucioj korektis siajn versiojn de tiu historio por indiki, ke la malkovro pri la reakcio apartenas al Patrick Blackett. Rutherford detektis la eligitan protonon en 1919 kaj interpretis ĝin kiel pruvo de la disintegriĝo de la nitrogena nukleo (al pli malpezaj nukleoj). En 1925, Blackett montris, ke la fakta produkto estas oksigeno kaj identigis la ĝusta reakcio kiel 14N + α → 17O + p. Rutherford siavice agnoskis, "ke la nukleo povas pliiĝis anstataŭ malpliiĝi en maso kiel rezulto de kolizioj en kiuj oni eligas la protonon".

Orfolia eksperimento 

Rutherford prezentis sian plej faman laboron post ricevo de la nobelpremio en 1908. Kune kun Hans Geiger kaj Ernest Marsden en 1909, li aranĝis la Geiger-Marsden-eksperimenton, kiu elmontris la atomnaturon de atomoj deviigante alfa-partiklojn por ke ili pasu tra maldika orfolio. Rutherford estis inspirita kaj petis Geiger kaj Marsden en tiu eksperimento serĉi alfa-partiklojn kun tre altaj deklinperspektivoj, de tipo ne atendita de ĉiu teorio pri materio en tiu tempo. Tiaj deklinoj, kvankam rare, estis trovitaj, kaj pruvis esti glata sed alt-orda funkcio de la deklinperspektivo. Estis la interpreto de Rutherford pri tiuj datenoj kio igis lin formuli la Rutherford modelon de la atomo en 1911 - nome ke tre malgrande ŝarĝita nukleo, enhavanta multe da la maso de la atomo, estas ĉirkaŭita per orbito de malalt-amasaj elektronoj.

Antaŭ forlasado de Manĉestro en 1919 por transpreni la Cavendish-laboratorion en Kembriĝo, Rutherford iĝis, en 1919, la unua persono se temas pri konscie transmutacii unu elementon en alia. En tiu eksperimento, li malkovris strangajn radiadojn kiam alfaoj estis projekciitaj en aeron, kaj malvastigis la efikon malsupren al la nitrogeno, ne la oksigenon en la aero. Uzante puran nitrogenon, Rutherford uzis alfaradiadon por ŝanĝi nitrogenon en oksigenon tra la nuklea reago 14N + α → 17O + protono. La protono ne estis tiam konata. En la produktoj de tiu reago Rutherford simple identigis hidrogennukleojn, de ilia simileco al la partikla radiado de pli fruaj eksperimentoj en kiuj li bombadis hidrogengason kun alfa-partikloj por frapi hidrogennukleojn el hidrogenatomoj. Tiu rezulto montris al Rutherford ke hidrogennukleoj estis parto de nitrogennukleoj (kaj de inferenco, verŝajne aliaj nukleoj ankaŭ). Tia konstruo estis suspektita dum multaj jaroj surbaze de atompezoj kiuj estis alikvotoj de tiu de hidrogeno; vidu la hipotezon de Prout. Hidrogeno povas esti la plej malpeza elemento, kaj ĝiaj nukleoj supozeble la plej malpezaj nukleoj. Nun, pro ĉiuj tiuj konsideroj, Rutherford decidis, ke hidrogennukleo estis eventuale fundamenta konstrubriketo de ĉiuj nukleoj, kaj ankaŭ eventuale nova fundamenta partiklo ankaŭ, ĉar nenio estis konata de la nukleo kiu estis pli malpeza. Tio konfirmis kaj etendis la laboron de Wilhelm Wien kiu en 1898 malkovris la protonon en fluaĵoj de jonigita gaso, Tiel, Rutherford postulis, ke la hidrogennukleo estas nova partiklo en 1920, kion li nomis "protono".

En 1921, laborante kun Niels Bohr (kiu postulis, ke elektronoj moviĝis en specifaj orbitoj), Rutherford teoriadis koncerne la ekziston de neŭtronoj, (kiujn li nomis en sia prelego pri la Bakeria Medalo de la Royal Society de 1920), kiuj povis iamaniere kompensi por la forpuŝa efiko de la pozitivaj ŝarĝoj de protonoj kaŭzante allogan nuklean forton kaj tiel konservas la nukleojn de flugado el la repuŝo inter protonoj. La nura alternativo al neŭtronoj estis la ekzisto de "atomelektronoj" kiuj kontraŭagus kelkajn el la protonŝarĝoj en la nukleo, ĉar ekde tiam estis konata, ke nukleoj havis koncerne dufoje la mason pri kiu povus esti respondecita se ili estus simple kunigitaj el hidrogennukleoj (protonoj). Sed kiel tiuj atomelektronoj povus esti kaptitaj en la nukleo, estis mistero.

La teorio de Rutherford de neŭtronoj estis pruvita en 1932 de lia partnero James Chadwick, kiu rekonis neŭtronojn tuj kiam ili estis produktitaj de aliaj sciencistoj kaj poste de li mem, bombardante berilion kun alfa-partikloj. En 1935, al Chadwick estis atribuita la Nobel-premio pri fiziko por tiu eltrovaĵo.

Heredaĵo

Nuklea fiziko 

La esplorado, kaj laboro de Rutherford farita sub li kiel laboratoriodirektoro, establis la kernostrukturon de la atomo kaj la esencan naturon de radioaktiva disfalo kiel atomprocezo. La teamo de Rutherford, uzante naturajn alfa-partiklojn, montris induktitan atomtransmutacion, kaj poste, uzante protonojn el akcelilo, montris artefarit-induktitajn nukleajn reagojn kaj transmutacion. Li estas konata kiel la patro de nuklea fiziko. Rutherford mortis tro frue por vidi la ideon de Leó Szilárd pri kontrolitaj atomĉenreakcioj realigitaj. Tamen, parolado de Rutherford temas pri lia artefarit-induktita transmutacio en litio, presita la 12an de septembro 1933 en la Londona gazeto The Times, raportita de Szilárd kiel lia inspiro por pensado pri la ebleco kontroli energi-produktan atomĉenreakcion. Szilard havis tiun ideon piedirante tra Londono, en la sama tago.

La parolado de Rutherford koncernis la laboron de liaj studentoj John Cockcroft kaj Ernest Walton (1932) en "dividado" de litio en alfa-partiklojn per bombado de protonoj pere de partikloakceleratoro kiun ili konstruis. Ruterford ekkomprenis, ke la energio liberigita de la dividitaj litiatomoj estis grandega, sed li ankaŭ ekkomprenis ke la energio necesa por la akcelilo, kaj ĝia esenca neefikeco en disfendado de atomoj en tiu modo, igis la projekton malebla kiel praktika energifonto (akcelil-induktita fisio de lumelementoj restas tro malefika por esti uzita laŭ tiu maniero, eĉ hodiaŭ).

Omaĝoj 
 Ruterfordio estas ĥemia elemento, kiu tiel nomiĝis en lia honoro.
 La asteroido 5311 Rutherford, nomita en lia honoro
 La kratero Rutherford estas kratero sur la nevidebla flanko de Luno.
 Rutherford Appleton Laboratory estas brita scienca esplorlaboratorio en Oxfordshire.
 En 1992, estis kreita novzelanda bankbileto prezentanta Rutherford-n.
 Medalo Rutherford estas premio de la Royal Society of New Zealand por elstaraj kontribuantoj al la novzelanda scienco kaj kulturo rilante al scienco, matematiko, socia scienco kaj teĥnologio.

Publikaĵoj 
 Radio-activity (1904), 2nd ed. (1905), 
 Radioactive Transformations (1906), 
 
 
 Radioactive Substances and their Radiations (1913)
 The Electrical Structure of Matter (1926)
 The Artificial Transmutation of the Elements (1933)
 The Newer Alchemy (1937)

Artikoloj 
 "Disintegration of the Radioactive Elements" Harper's Monthly Magazine, Januaro 1904, pages 279 to 284.

Notoj

Eksteraj ligiloj 
 Biografio kaj retejo  el American Institute of Physics
 Biography  el oficiala retejo de la Nobel-premio
 Nobel Lecture The Chemical Nature of the Alpha Particles from Radioactive Substances
 The Rutherford Museum
 Rutherford Scientist Supreme
 

Britaj kemiistoj
Nukleaj fizikistoj
Nobel-premiitoj pri kemio
Anoj de la Reĝa Societo de Londono
Universitato de Gießen
Montrealanoj