Ernest Rutherford

Lapsuus

Ernest syntyi Spring Grovessa Uudessa-Seelannissa 30. elokuuta 1871. Ernestin isä, James Rutherford, ja äiti, Martha Thompson, olivat molemmat muuttaneet 1800-luvun puolivälissä vanhempiensa kanssa Uuteen Seelantiin, isä James 4-vuotiaana Skotlannista ja äiti Martha 13-vuotiaana Englannista.   Ernest syntyi keskiluokkaiseen perheeseen. Eri lähteiden mukaan hänen isänsä toimi elämänsä aikana maanviljelijänä ja pellavamyllärinä sekä piti omaa sahaa, jossa nuori Ernest myös paljon työskenteli.       Ernestin ympärillä pyörikin ahkeria työläisiä joilla oli hyvät tekniset taidot. Lisäksi hänen isänsä korjasi ja huolsi erilaisten myllyjen koneita ja osia. Hänen äitinsä oli opettaja, joka opetti itse kaikki lapsensa lukemaan ja kirjoittamaan. Lapsia Rutherfordin perheeseen syntyi 12, viisi tyttöä ja seitsemän poikaa. Ernest oli neljäs lapsi ja toiseksi vanhin poika. Ernestin veljistä kolme kuoli jo lapsina, yksi syntyessään ja kaksi hukkui surullisesti yhteisellä perheretkellä. Tämä johti Ernestin äidin masentumiseen, josta hän ei elämänsä aikaan koskaan toipunut.

Kouluvuodet

Rutherfordin lapset saivat kaikki hyvän koulutuksen, koska vanhemmat arvostivat koulutusta. Vanhempien arvostus johtui siitä, että isä Jamesilla ei ollut koskaan mahdollisuutta siihen ja äiti Martha taas oli sen saanut. Hänen äitinsä uskoi että kaikki tieto on valtaa ('all knowledge is power’). Ernest kävi kouluvuotensa kulloisenkin asuinpaikkansa maalaiskouluissa aina vuoteen 1886 asti (Foxhillin ala-aste 1876–81, Havelockin ala-aste 1882–86).       Ensimmäisen luonnontieteiden kirjansa hän sai koulusta 10-vuotiaana. Samana vuonna Rutherford rakensikin itse oman pienoistykin, mikä sitten räjähtikin aiheuttamatta onneksi vahinkoa.

Opiskeluvuodet

Vuonna 1887 15-vuotias Ernest sai toisella yrittämällään Marlboroughin opetushallituksen stipendin Nelsonin Collegeen, yksityiseen lukioon.       Hän muutti pois kotoaan ja opiskeli lukiossa menestyksekkäästi kaikissa aineissa, erityisesti matematiikassa ja luonnontieteissä. Opiskelujensa ohessa hän pelasi innokkaasti rugbya. Lukion jälkeen vuonna 1890, jälleen toisella yrittämällään, Ernest onnistui saamaan stipendin Canterbury Collegeen Christchurchiin yhteen neljästä Uuden-Seelannin yliopistoista. Canterburyssä Rutherford oli onnekas saadessaan opettajakseen loistavia professoreita, jotka saivat hänet toden teolla kiinnostumaan tieteellisestä tutkimuksesta. Kolmen vuoden tutkinnon aikana hän opiskeli mm. latinaa, ranskaa ja matematiikkaa. Samalla hän teki laboratoriossa niin monia fysiikan kokeita kuin mahdollista. 1892 hän valmistui (Bachelor of Arts) aineinaan matematiikka, sovellettu matematiikka, latina, englanti, ranska ja fysiikka. Huippuarvosanojen ansiosta hänelle myönnettiin stipendi vuoden jatko-opintoihin ("Honours" year). Tämän lisävuoden aikana Rutherford suoritti geologian ja kemian opinnot (Bachelor of Science). Hän opiskeli myös lisää matematiikan ja fysiikan opintoja tehden samalla itsenäistä tutkimusta keskittyen pääasiallisesti sähkö- ja magnetismioppiin. Hän tutki tuolloin pääasiassa korkean taajuuden magneettista induktiota sekä raudan ja teräksen magneettista viskositeettia, joista hän teki myös ensimmäiset kirjalliset julkaisunsa.  Tutkimuksiensa aikana hän kehitti myös muutamia fysiikan uusia laitteita mm. nopeiden virtapulssien ilmaisimen. Näihin aikoihin hän tutustui ja rakastui Mary Newtoniin, opiskelujensa aikaisen asuntonsa omistajan tyttäreen.

McGill-yliopisto, Montreal, Kanada (1898–1907)

Vuonna 1898 Rutherford otti vastaan McGill yliopiston professuurin Montrealiin Kanadaan (1898–1907). Yliopistolla oli hyvin varustellut laboratoriot, minkä vuoksi Rutherford siirtyi valtameren toiselle puolelle. Hän otti tutkimuksiinsa avukseen nuoren kemistin Frederick Soddyn sekä assistentiksi jatko-opiskelijan Harriet Brooksin. Heidän avullaan hän osoitti radioaktiivisen hajoamisen mysteerin: joidenkin alkuaineiden atomit hajoavat spontaanisti kevyempien alkuaineiden atomeiksi. Tämä oli yksi hänen uransa läpimurroistaan. Selvitettyään, että uraanin lopullinen hajoamistuote on lyijy, Rutherford tajusi, että mittaamalla uraanin ja lyijyn suhteellinen osuus mineraaleissa sekä uraaniatomien hajoamisnopeus voitaisiin selvittää mineraalien ikä.  Maaperän näytteiden radioaktiivinen iänmääritys on tärkeä osa nykypäivänkin geologista tutkimusta. Raskaiden alkuaineiden hajoamistutkimusten tuloksena syntyi käsite puoliintumisaika. Aika, jonka kuluessa puolet radioaktiivisen aineen atomiytimistä on hajonnut toisiksi atomiytimiksi. Vuosina 1902–1903 Rutherford ja Soddy kehittivät hajoamisteorian selityksenä radioaktiivisuudelle, mitä pidetään Rutherfordin suurimpana saavutuksena McGillin yliopistossa. Alkemiassa ja siirtymäalkuaineiden teoriassa atomeja pidettiin pysyvinä, mutta Rutherford ja Soddy väittivät, että radioaktiivinen energia tuli atomin sisältä ja spontaanin alfa- ja betahiukkasten emissio merkitsi atomien kemiallista muutosta alkuaineesta toiseen. Kokeellisten tutkimusten ylivoimainen näyttö tukahdutti epäilijät. Rutherford ajatteli alfahiukkasen olevan suurin tekijä tälle kemialliselle muutokselle alfahiukkasen konkreettisen massan vuoksi. Hän määritti alfahiukkaselle positiivisen varauksen, mutta ei saanut vielä selville oliko se vety- vai heliumioni.
McGill yliopistossa olonsa aikana Rutherford otti laboratorioonsa yhä useampia tutkijaopiskelijoita, mukaan lukien naisia joita tuohon aikaan opiskeli yliopistossa vain muutamia. Hän oli kysytty puhuja ja lehtiartikkeleiden kirjoittaja. Hänet valittiin vuonna 1900 Kanadan ja 1903 Lontoon Royal of Society jäseneksi. Hän kirjoitti tällä kaudella myös tärkeimpiä radioaktiivisuuden oppikirjoja. Hänen ensimmäisen kirjansa Radioactivity julkaistiin vuonna 1904. Hänelle myönnettiin apurahoja, hän sai mitaleita ja paljon työtarjouksia. Myöhemmin vuonna 1908 hän sain Nobelin kemian palkinnon tutkimuksistaan alkuaineiden hajoamisesta sekä radioaktiivisten aineiden kemiallisista tuloksistaan. Hämmentynyt Rutherford usein kertoi ystävilleen, että nopein muutos minkä hän tiesi, oli hänen siirtyminen fyysikosta kemistiksi.
Vuonna 1900 Rutherford palasi hetkeksi Uuteen-seelantiin mennäkseen naimisiin rakastettunsa Mary Newtonin kanssa. Heidän ainoa lapsensa Eileen syntyi 1901. Pariskunta vieraili Uudessa-Seelannissa vuonna 1905 uudistaakseen siteitään perheisiinsä.
Rutherford ei halunnut koskaan pysyä kauaa paikoillaan ja hän pyöritteli usein uusia vaihtoehtoisia mahdollisuuksia mielessään. Pohjois-Amerikassa oli hyvä tiedeyhteisö, mutta maapallon fysiikan keskus oli kuitenkin Euroopassa. Englanti veti häntä jälleen puoleensa. Englanti oli lähempänä tieteen pääkeskuksia ja siellä oli enemmän ja parempia jatko-opiskelijoita. Kun vuonna 1907 Rutherfordille tarjottiin Manchesterin yliopiston johtajan paikkaa, hän ottikin sen vastaan.

Manchesterin yliopisto, Englanti (1907–19)

Manchesterin yliopistossa Rutherford painotti tutkimuksiensa suunnan jälleen alfa-, beta- ja gammasäteilyyn ja siihen miten näiden säteilynlajien avulla voitaisiin saada uutta tietoa atomien luonteesta. Hän jätti radiokemian muille tutkijoille ja palasi takaisin fysiikkaan. Rutherford onnistuikin fysikaalisissa tutkimuksissaan osoittamaan sen mitä oli jo pitkään epäillyt. Alfa-hiukkanen oli helium-atomi
ilman elektroneitaan. Hän halusi kuitenkin saada paremmat todisteet tietonsa tueksi ja tekikin useita uusia kokeita tutkimusryhmänsä kanssa. Yhdessä Hans Geigerin kanssa Rutherford kehitti sähköisen ilmaisimen, "elektrometrin", ionisoituneiden hiukkasten havaitsemiseen. Tämän mittalaitteen avulla hän pystyi kokeellisesti määrittämään tärkeitä fysikaalisia vakioita mm. Avogadron vakion. Myöhemmin Geiger viimeisteli Walther Mϋllerin kanssa mittalaitteen radioaktiivisuuden mittaamiseen, Geiger(Mϋller)putken, mikä on universaali mittalaite nykypäivänkin radioaktiivisuusmittauksissa. Rutherford antoi Geigerin johdolla nuorelle opiskelijalleen Ernest Madsenille tehtäväksi mitata alfapartikkelien suhteellisen määrän suhteessa sirontakulmaan ja selvittää heijastuisiko yhtään alfasäteilyä takaisin metalleista (tunnetaan nykyään Rutherfordin kokeena). Madsen havaitsi, että osa alfa-säteilystä heijastui takaisin metalleista ja jopa suoraan takaisin ohuesta kultakalvosta. Tämä tulos yllätti hieman jopa Rutherfordia. Näistä tuloksista hän päätteli vuonna 1911, että lähes koko atomin massa on keskittynyt sen pieneen ytimeen, mikä on tuhat kertaa pienempi kuin atomi itse ja näin suurin osa atomista olisi tyhjää tilaa. Atomin ydin oli löydetty. Tämä toinen suuri Rutherfordin keksintö antoi hänelle pysyvää mainetta. Vuonna 1912 tanskalainen fyysikko Niels Bohr vieraili Rutherfordin laboratoriossa ja osoitti vuotta myöhemmin Rutherfordin tulosten tärkeyden. Bohr todisti, että radioaktiivisuus oli peräisin atomin ytimestä ja kemialliset ominaisuudet ydintä kiertävistä elektroneista. Hän käytti Rutherfordin kvantti-ideaa ja loi sen avulla atomin elektroneille orbitaalimallin. Näin uusi atomimalli oli löydetty. Rutherfordin ja Bohrin atomimallit ovat edelleen nykypäivän kemian ja fysiikan oppikirjoissa. Lisäksi Rutherfordin sirontaa käytetään edelleen avuksi mikroelektroniikan laitteissa, joita käytetään ytimen hiukkasten ja atomiorbitaalien havaitsemiseen.
I maailmansodan (1914–1918) syttymisvuonna Rutherford aateloitiin ritariksi. Sota aikana hän teki tutkimuksia hallitukselle kehittäen akustisia menetelmiä sukellusveneiden havaitsemiseksi. Nämä tiedot jaettiinkin sitten Amerikkalaisten kanssa. Samalla hän tuloksettomasti yritti vakuuttaa, että nuoria tutkijoita olisi parempi käyttää sodan aikaisten haasteiden kehityksessä ja tutkimuksissa sen sijaan että heidät elämänsä ja tieteellinen lahjakkuutensa tuhottaisiin juoksuhaudoissa. Sodan loppupuolella vuonna 1917 Rutherford palasi takaisin atomitieteen harjoittamiseen. Pommittaessaan kevyitä atomeja alfasäteilyllä Rutherford huomasi, että syntyvien ulostulevien hiukkasten energian olevan suurempi kuin alfasäteilyn ja arveli hiukkasten olevan vedyn ytimiä (protoneja H⁺). Tämän havainnon perusteella hän päätteli, että pommitus oli samalla muuttanut typpiatomit happiatomeiksi. Hän oli siis onnistunut alfa-hiukkasten (He²⁺) avulla muuttamaan alkuaineen toiseksi alkuaineeksi ydinreaktion seurauksena. Näin Rutherfordista tuli maailman ensimmäinen onnistunut alkemisti ja ensimmäinen joka jakoi ytimen, mikä johti hänet kestävään tieteelliseen maineeseen. Nämä tutkimustulokset julkaistiin sodan jälkeen vuonna 1919.

Cambridgen yliopisto, Cavendishin Laboratorio, England (1919–1937)

Sodan jälkeen vuonna 1919 hän palasi yliopistotutkimuksen juurilleen ja sai kunnian täyttää Cambridgen kokeellisen fysiikan professorin viran sekä Cavendishin laboratorion johtajan paikan kuuluisan sir J. J. Thomsonin työn jatkajana. Hänen aikansa kului nyt myös hallinnollisiin tehtäviin, joten hänellä ei enää ollut niin paljon aikaa keskittyä tutkimuksiin kuin aikaisemmin.
Rutherford pyysi Manchesteristä mukaansa jatko-opiskelijansa James Chadwickin, joka tuli Cavendishiin jatkamaan heidän yhteisiä tutkimuksiaan. Laboratoriokokeissa he pommittivat kevyitä atomeja alfasäteilyllä saaden aikaan niiden rakenteen muutoksia. Mutta he eivät onnistuneet tunkeutumaan alfa-säteilyllä raskaampien alkuaineiden ytimiin. Alfsäteilyn ja raskaampien atomien ytimien väliset keskinäiset varaukset näyttivät hylkivät toisiaan. Lisäksi he eivät saaneet selvitettyä heijastuiko alfahiukkanen takaisin vai yhdistyikö se kuitenkin pommitettavaan ytimeen. Uutta teknologiaa tarvittiin selvittämään molemmat työparia arveluttavat kysymykset. Teknologian kehitys mahdollistikin tämän 1920-luvun loppupuolella. Sillä välin ensimmäisenä vuosikymmenenään yliopiston professorina ja laboratorion johtajana Rutherfordin pääpaino oli ensimmäisen luokan tutkimusryhmien perustamisessa. Hän osoittautui inhimilliseksi ja kannustavaksi johtajaksi, joka piti huolen siitä, että opiskelijat saivat itse kunnian tutkimuksistaan, joita hän oli mentoroinut. Hän kampanjoi yliopistolla sen puolesta, että naiset saisivat samat oikeudet kuin miehet.
Vuonna 1925 Rutherford matkusti viimeisen kerran, Australiaan ja Uuteen-Seelantiin. Kuuden viikon vierailullaan Uudessa-Seelannissa hän antoi useita yleisöluentoja. Missä tahansa hän luennoi hän sai kunnioitettavan vastaanoton. Salit olivat täynnä ihmisiä, jotka halusivat kuulla atomin rakenteesta hänen kertomanaan. Rutherford julisti, että hän on aina ollut ylpeä siitä, että on Uusiseelantilainen. Hän antoi tukensa koulutukseen ja tutkimukseen ja suositteli, että tehtäisiin sellaista tieteellistä tutkimusta, josta olisi hyötyä maanviljelijöille. Hänen tukensa seurauksena Uuteen-Seelantiin perustettiin tieteellisen ja teollisen tutkimuksen laitos vuonna 1926. Uuden-Seelannin vierailun aika hän vietti aikaansa myös sairastuneiden vanhempiensa tukena.
Rutherfordien ainoa tytär Eileen oli naimisissa Cavendishin laboratorion matemaattisen fyysikon Ralph Fowlerin kanssa. Heillä oli neljä lasta, jotka kaikki kouluttautuivat korkeasti. Suru laskeutui Rutherfordin perheen ylle, kun Eileen kuoli vuonna veritulppaan vain 29 vuoden ikäisenä 9 päivää nuorimman lapsensa syntymän jälkeen ja vain kaksi päivää ennen joulua 1930. Saman vuoden uutena vuotena Rutherford aateloitiin paroniksi, Nelsonin paroni Rutherfordiksi, mutta tämä kunnianosoitus jäi tyttären kuoleman surun varjoon.
Teknologian kehityksen myötä 1930 luvun vaihde oli Rutherfordin tutkimusryhmien kulta-aikaa. Vuonna 1932 James Chadwick, löysi neutronin ja osoitti tällä, että ydin koostui protoneista ja neutroneista. Rutherford oli kymmenisen vuotta aiemmin ennustanut neutronin olemassaolon ja ohjastanut Chadwickia tutkimuksissaan eteenpäin kertoen mitä ominaisuuksia neutronilta tulisi löytyä. Samana vuonna John Cockcroft ja Ernest Walton onnistuivat jakamaan litiumatomin pommittamalla sitä protoneilla, vetyatomin ytimillä, jotka oli kiihdytetty erittäin suureen nopeuteen korkeajännite kiihdyttimen avulla. Litiumatomi jakautui kahdeksi alfahiukkaseksi. Pari sai työstään myöhemmin Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1951. Sumukammion keksimisen jälkeen (englantilainen fyysikko Charles Wilson, Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1927) saatiin visuaalisia todisteita siitä, mitä törmäyksissä oikein tapahtui. Englantilainen fyysikko Patrick Blackett tutki sumukammion avulla 400 000 alfahiukkasen törmäystä ja havaitsi, että suurin osa niistä oli tavallisia elastisia törmäyksiä. Osassa törmäyksissä tapahtui kuitenkin hajoamista. Näissä alfasäteily tunkeutui kohde ionin ytimeen ja tämän jälkeen ydin jakautui kahteen osaan. Tämä oli erittäin tärkeä askel ydinreaktioiden ymmärtämiseen ja hänet palkittiinkin tuloksistaan Nobelin fysiikan palkinnolla vuonna 1948. Suuri tieteellinen aikakausi oli saanut alkunsa Rutherfordin ohjauksessa. Vuosia sitten Rutherford oli olettanut, että atomin ytimeen tunkeutuminen vaatisi hiukkasia, jotka olisi kiihdytetty muutaman miljoonan voltin avulla, jotta niiden energia vastaisi radioaktiivisista atomista poistettujen hiukkasten energiaa. Tämän vuoksi hän vuosia painosti maansa teollisuutta kehittämään korkean jännitteen lähteitä. George Gamow ja Norman Feather omissa tutkimuksissaan teki kuitenkin havainnon, joka osoitti, että alempi energiset hiukkaset olisivatkin tehokkaampia tunkeutumaan atomin ytimeen. Rutherford teetätti matalampi jännitteisen hiukkaskiihdyttimen, jossa oli paljon parempi hiukkasten virtaus. Tämän seurauksena Gilbert Lewis onnistui kokeiluissaan tekemään raskaampia vetyjä, deuteriumia ja tritiumia, sekä kevyttä heliumia (He-3). Tämän seurauksena vuonna 1932 Rutherford, australialainen fyysikko Mark Oliphant ja saksalainen kemisti Paul Harteck yhteistyössä saivat aikaan ensimmäisen fuusioreaktion. He pommittivat deuteriumia (²H) deuteroneilla (²H⁺) saaden aikaan tritiumia (³H). Rutherford toivoi, ettei ydinfissiota, minkä avulla uraanista voitaisiin tehokkaasti vapauttaa energiaa, löydettäisi ennen kuin ihmiset osaisivat elää sovussa naapuriensa kanssa. Tämä onnistui kuitenkin jo pari vuotta hänen kuolemansa jälkeen.

Epilogi

Rutherfordilla oli muutamia kiinnostuksen kohteita tieteen lisäksi, pääasiassa golf ja autoilu. Hän oli liberaali, mutta ei poliittisesti aktiivinen, vaikka olikin hallituksen tieteellisen ja teollisen tutkimuslaitoksen neuvottelukunnan jäsen sekä akateemisen apuneuvoston puheenjohtaja.
Elämänsä aikana Rutherford sai paljon tiedepalkintoja ja kunniatohtorin arvonimiä monissa maissa sekä apurahoja useilta seuroilta ja järjestöiltä. Useita rakennuksia on nimetty hänen mukaansa ja hän on ollut neljän eri maan postimerkeissä ja Uuden-Seelannin setelissä. Alkuaine rutherfordium on nimetty hänen kunniakseen.
Rutherford kuoli Cambridgessa 66-vuotiaana 19. lokakuuta 1937 tyräleikkauksen aiheuttamiin komplikaatioihin ja haudattiin Lontoon Westminster Abbeyhin. Lady Rutherford vetäytyi vanhuuspäivilleen syntymämaahansa Uuteen-seelantiin Christchurchiin, missä hän kuoli vuonna 1954.

»Se oli melkein yhtä uskomatonta, kuin että pommitettaessa silkkipaperia 15 tuuman ammuksilla ne olisivat kimmonneet takaisin ja osuneet minuun.» 
(Rutherford sanoi kokeensa tutkimustuloksista, jotka johtivat atomin ytimen löytymiseen.)