Rutherford Ernest (eluaastad: 30.08.1871 – 19.10.1937) – inglise füüsik, aatomi planeedimudeli looja, tuumafüüsika rajaja. Ta oli Londoni Kuningliku Seltsi liige, aastatel 1925–1930 ja selle president. See mees on Nobeli keemiapreemia laureaat, mille ta sai aastal 1908.
Tulevane teadlane sündis rattasepa James Rutherfordi ja õpetaja Martha Thompsoni perre. Lisaks temale oli peres 5 tütart ja 6 poega.
Koolitus ja esimesed auhinnad
Enne kui perekond 1889. aastal Uus-Meremaa Lõunasaarelt Põhjasaarele kolis, õppis Rutherford Ernest Christchurchis Canterbury kolledžis. Juba sel ajal ilmnesid tulevase teadlase hiilgavad võimed. Pärast 4. kursuse lõpetamist pälvis Ernest parima töö eest matemaatika alal, samuti saavutas ta 1. koha füüsika ja matemaatika magistrieksamitel.
Magnetdetektori leiutis
Kunstimeistriks saades Rutherford seda ei teinudlahkus kolledžist. Ta sukeldus iseseisvasse teadustöösse raua magnetiseerimise kohta. Ta töötas välja ja valmistas spetsiaalse seadme – magnetdetektori, millest sai üks maailma esimesi elektromagnetlainete vastuvõtjaid, aga ka Rutherfordi "sissepääsupilet" suurde teadusesse. Peagi toimus tema elus oluline muutus.
Rutherford läheb Inglismaale
Inglise krooni kõige andekamad noored katsealused Uus-Merema alt said neile iga kahe aasta tagant stipendiumi. 1851. aasta maailmanäitus, mis võimaldas minna Inglismaale loodusteadusi õppima. 1895. aastal otsustati, et sellist au väärivad kaks uusmeremaalast – füüsik Rutherford ja keemik Maclaurin. Siiski oli ainult üks koht ja Ernesti lootused luhtusid. Õnneks oli Maclaurin sunnitud perekondlikel põhjustel sellest reisist loobuma ja Rutherford Ernest jõudis Inglismaale 1895. aasta sügisel. Siin alustas ta tööd Cambridge'i ülikoolis (Cavendishi laboris) ja temast sai selle direktori J. Thomsoni esimene doktorant (alloleval pildil).
Bekquereli kiirte uuring
Thomson oli selleks ajaks juba tuntud teadlane, üks Londoni Kuningliku Seltsi liikmetest, keda kõik austasid. Ta hindas kiiresti Rutherfordi võimeid ja meelitas ta tegelema gaaside ionisatsiooni uurimisega röntgenikiirguse mõjul, mille ta ka läbi viis. Kuid juba 1898. aastal, suvel, astub Ernest esimesi samme teises uurimisvaldkonnas. Teda huvitasid "bekerellikiired". Uraanisoola emissioon, avatudPrantsuse füüsik Becquerel sai hiljem tuntuks kui radioaktiivne. Prantsuse teadlane ja ka Curie'd tegelesid aktiivselt tema uurimistööga. Aastal 1898 liitus tööga Rutherford Ernest. See teadlane avastas, et need kiired sisaldavad positiivselt laetud heeliumi tuumade voogusid (alfaosakesed) ja elektronide voogusid (beetaosakesed).
Uraanikiirte edasine uurimine
Curiede tööd esitleti Pariisi Teaduste Akadeemiale 18. juulil 1898, mis äratas Rutherfordis suurt huvi. Selles tõid autorid välja, et lisaks uraanile on ka teisi radioaktiivseid (just siis kasutati seda terminit esimest korda) elemente. Hiljem tutvustas Rutherford poolväärtusaja mõistet – nende elementide üht peamist eristavat tunnust.
Ernest pikendas 1897. aasta detsembris näitusestipendiumi. Teadlane sai võimaluse uraanikiiri edasi uurida. 1898. aasta aprillis vabanes aga Montrealis kohaliku McGilli ülikooli professori koht ja Ernest otsustas minna Kanadasse. Õpipoisi aeg on möödas. Kõigile oli selge, et Rutherford on valmis iseseisv alt töötama.
Kolib Kanadasse ja uus töökoht
1898. aasta sügisel kolis ta Kanadasse. Algul Rutherfordi õppetöö väga ei õnnestunud: üliõpilastele ei meeldinud loengud, mida noor professor, kes polnud veel õppinud kuulajat täielikult tunnetama, detailidest üleküllas. Teadustöös oli ka mõningaid raskusi, kuna Rutherfordi tellitud radioaktiivsete preparaatide saabumine viibis. Siiski kõikkaredus tasandus peagi ning Ernestil algas õnne- ja eduseeria. Vaev alt on aga kohane rääkida edust: kõik saavutati raske tööga, millesse kaasati tema uued sõbrad ja mõttekaaslased.
Radioaktiivsete muundumiste seaduse avastamine
Rutherfordi ümbruses tekkis juba siis loomingulise entusiasmi ja kire õhkkond. Töö oli rõõmus ja pingeline, tõi kaasa suure edu. Rutherford avastas tooriumi emanatsiooni 1899. aastal. Koos Soddyga aastatel 1902–1903 jõudis ta juba üldise seaduseni, mis kehtis kõigi radioaktiivsete muundumiste suhtes. Selle olulise teadussündmuse kohta tuleks rääkida veidi rohkem.
Teadlased kogu maailmas õppisid tol ajal kindl alt, et üht keemilist elementi on võimatu teiseks muuta, mistõttu tuleks alkeemikute unistused pliist kulla eraldamiseks igaveseks maha matta. Ja siis ilmus teos, milles väideti, et radioaktiivsete lagunemiste käigus elementide muundumised mitte ainult ei toimu, vaid neid ei saa ka aeglustada ega peatada. Pealegi formuleeriti nende teisenduste seadused. Tänapäeval saame aru, et just tuuma laeng määrab elemendi keemilised omadused ja asukoha Mendelejevi perioodilises süsteemis. Kui tuuma laeng väheneb kahe ühiku võrra, mis toimub alfa-lagunemise ajal, "liigub" see perioodilisustabelis 2 rakku ülespoole. See nihutab elektroonilises beeta-lagunemises ühe raku allapoole ja positronide lagunemise korral ühe raku ülespoole. Vaatamata selle seaduse ilmsusele ja näilisele lihtsusele, oli see avastus üks olulisemaid sündmusi teaduses 20. sajandi alguses.sajandil.
Abielu Mary Georgina Newtoniga, tütre sünd
Samal ajal toimus Ernesti isiklikus elus oluline sündmus. 5 aastat pärast kihlumist Mary Georgina Newtoniga abiellus teadlane Ernest Rutherford temaga, kelle elulugu oli selleks ajaks juba märgistatud märkimisväärsete saavutustega. See tüdruk oli Christchurchi pansionaadi perenaise tütar, kus ta kunagi elas. 1901. aastal, 30. märtsil, sündis Rutherfordide perre ainus tütar. See sündmus langes ajaliselt peaaegu kokku uue füüsikateaduse peatüki – tuumafüüsika – sünniga. Ja 2 aasta pärast sai Rutherfordist Londoni Kuningliku Seltsi liige.
Rutherfordi raamatud, katsed alfaosakestega poolläbipaistva fooliumiga
Ernest lõi 2 raamatut, milles võttis kokku oma teaduslike otsingute ja saavutuste tulemused. Esimene ilmus pealkirja all "Radioaktiivsus" 1904. aastal. "Radioaktiivsed transformatsioonid" ilmusid aasta hiljem. Nende raamatute autor alustas sel ajal uusi uurimistöid. Ta mõistis, et radioaktiivne kiirgus tekkis just aatomitest, kuid selle esinemiskoht jäi absoluutselt ebaselgeks. Oli vaja uurida tuuma seadet. Ja siis pöördus Ernest alfaosakestega transilluminatsiooni tehnika poole, millega ta alustas oma tööd Thomsoniga. Katsetes uuriti, kuidas nende osakeste vool läbib õhukesi fooliumilehti.
Thomsoni esimene aatomimudel
Aatomi esimene mudel pakuti välja siis, kui sai teatavaks, et elektronidel on negatiivne laeng. Kuid nad sisenevad aatomitesse,on üldiselt elektriliselt neutraalsed. Seega peab selle koostises olema midagi, mis kannab endas positiivset laengut. Selle probleemi lahendamiseks pakkus Thomson välja järgmise mudeli: aatom on midagi tilga sarnast, positiivselt laetud, raadiusega sada miljondik sentimeetrit. Selle sees on pisikesed negatiivse laenguga elektronid. Coulombi jõudude mõjul kipuvad nad asuma positsioonile päris aatomi keskmes, kuid kui miski neid tasakaalust välja viib, siis kiirgusega kaasas võnguvad. See mudel selgitas emissioonispektrite olemasolu, mis oli tol ajal teada. Eksperimentidest on juba selgunud, et tahketes ainetes on aatomite vahelised kaugused ligikaudu samad kui nende suurus. Seetõttu tundus ilmselge, et alfaosakesed ei saa lennata läbi fooliumi, nagu kivi ei saa lennata läbi metsa, kus puud kasvasid peaaegu üksteise lähedal. Kuid juba esimesed Rutherfordi tehtud katsed veensid, et see pole nii. Enamik alfaosakesi, peaaegu ilma läbipaindeta, tungisid läbi fooliumi ja ainult vähesed näitasid läbipainet, mõnikord märkimisväärset. Ernest Rutherford tundis sellest suurt huvi. Huvitavad faktid nõuavad täiendavat uurimist.
Rutherfordi planetaarmudel
Ja siis ilmnes taas Rutherfordi intuitsioon ja selle teadlase võime mõista looduskeelt. Ernest lükkas otsustav alt tagasi Thomsoni aatomimudeli. Rutherfordi katsed viisid selleni, et ta esitas oma, mida nimetatakse planeediks. Tema sõnul kesklinnasAatomi tuum on tuum, millesse on koondunud kogu antud aatomi mass, hoolimata selle üsna väikesest suurusest. Ja ümber tuuma, nagu planeedid, mis tiirlevad ümber päikese, liiguvad elektronid. Nende mass on oluliselt väiksem kui alfaosakestel ja seetõttu ei kaldu viimased elektronpilvedesse tungides praktiliselt kõrvale. Ja ainult siis, kui alfaosake lendab positiivselt laetud tuuma lähedale, võib Coulombi tõukejõud selle liikumise trajektoori järsult painutada. See on Rutherfordi teooria. See oli kindlasti suurepärane avastus.
Elektrodünaamika seadused ja planetaarmudel
Rutherfordi kogemusest piisas, et veenda paljusid teadlasi planeedimudeli olemasolus. Selgus aga, et see polegi nii üheselt mõistetav. Rutherfordi valem, mille ta selle mudeli põhjal tuletas, oli kooskõlas katse käigus saadud andmetega. Siiski lükkas ta ümber elektrodünaamika seadused!
Need seadused, mis kehtestati peamiselt Maxwelli ja Faraday töödega, väidavad, et kiirendatud kiirusega liikuv laeng kiirgab elektromagnetlaineid ja kaotab seetõttu energiat. Rutherfordi aatomis liigub elektron tuuma Coulombi väljas kiirendatud kiirusega ja Maxwelli teooria kohaselt peab ta kaotama kogu oma energia kümnemiljoniku sekundi jooksul ning seejärel langema tuumale. Seda aga ei juhtunud. Järelikult lükkas Rutherfordi valem Maxwelli teooria ümber. Ernest teadis seda, kui oli aeg 1907. aastal Inglismaale naasta.
Liikuge Manchesteri ja saate Nobeli preemia
Ernesti töö McGillisÜlikool aitas kaasa sellele, et ta sai väga kuulsaks. Rutherford hakkas võistlema kutsetega erinevate riikide teaduskeskustesse. 1907. aasta kevadel otsustas teadlane Kanadast lahkuda ja jõudis Manchesteri, Victoria ülikooli, kus jätkas oma uurimistööd. Koos H. Geigeriga lõi ta 1908. aastal alfaosakeste loenduri – uue seadme, mis mängis olulist rolli väljaselgitamisel, et alfaosakesed on kahekordselt ioniseeritud heeliumi aatomid. Rutherford Ernest, kelle avastused olid suure tähtsusega, sai 1908. aastal Nobeli preemia (keemias, mitte füüsikas!).
Koostöö Niels Bohriga
Vahepeal hõivas planeedi muster tema meelt üha enam. Ja 1912. aasta märtsis hakkas Rutherford Niels Bohriga koostööd tegema ja olema sõber. Bohri suurim teene (tema foto on esitatud allpool) oli see, et ta tõi planeedimudelisse põhimõtteliselt uued omadused - kvantide idee.
Ta esitas "postulaadid", mis tundusid esmapilgul sisemiselt vastuolulised. Tema sõnul on aatomil orbiidid. Mööda neid liikuv elektron ei kiirga, vastupidiselt elektrodünaamika seadustele, kuigi tal on kiirendus. See teadlane tõi välja reegli, mille järgi neid orbiite saab leida. Ta avastas, et kiirguskvandid ilmuvad ainult siis, kui elektron liigub orbiidilt orbiidile. Rutherfordi-Bohri aatomimudel lahendas palju probleeme ja sai ka läbimurdeks uute ideede maailma. Selle avastamine viis mateeria ja selle liikumise ideede radikaalse revideerimiseni.
Edasine ulatuslik tegevus
1919. aastalRutherfordist sai Cambridge'i ülikooli professor ja Cavendishi labori direktor. Kümned teadlased pidasid teda õigusega oma õpetajaks, sealhulgas need, kes võitsid hiljem Nobeli preemia. Need on J. Chadwick, G. Moseley, M. Oliphant, J. Cockcroft, O. Gan, V. Geytler, Yu. B. Khariton, P. L. Kapitsa, G. Gamov jt. Autasude ja auhindade voog muutus järjest rikkalikumaks. 1914. aastal sai Rutherford aadli. Ta sai 1923. aastal Briti Assotsiatsiooni presidendiks ja aastatel 1925–1930 oli ta Kuningliku Seltsi president. Ernest saab 1931. aastal paruni tiitli ja temast saab lord. Vaatamata üha suuremale töökoormusele, mitte ainult teaduslikule, jätkab ta tuuma ja aatomi saladuste ründamist.
Pakume teile ühte huvitavat fakti, mis on seotud Rutherfordi teadusliku tegevusega. Teadaolev alt kasutas Ernest Rutherford oma töötajate valikul järgmist kriteeriumi: ta andis esimest korda tema juurde tulnud inimesele ülesande ja kui uus töötaja küsis seejärel, mida edasi teha, vallandati ta kohe.
Teadlane on juba alustanud katseid, mis lõppesid aatomituumade kunstliku lõhustumise ja keemiliste elementide kunstliku muundamisega. 1920. aastal ennustas Rutherford deuteroni ja neutroni olemasolu ning 1933. aastal sai temast tuumaprotsessides energia ja massi vahekorra testimise katse algataja ja osaline. 1932. aasta aprillis toetas ta ideed kasutada tuumareaktsioonide uurimisel prootonkiirendeid.
Rutherfordi surm
Ernest Rutherfordi ja tema mitmesse põlvkonda kuuluvate õpilaste tööd avaldasid tohutut mõju teadusele ja tehnoloogiale ning miljonite inimeste eludele. Suur teadlane ei saanud muidugi jätta mõtlemata, kas see mõju on positiivne. Siiski oli ta optimist, uskus püh alt teadusesse ja inimestesse. Ernest Rutherford, kelle lühikest elulugu oleme kirjeldanud, suri 1937. aastal 19. oktoobril. Ta maeti Westminster Abbeysse.
