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Ernest Rutherford war ein in Neuseeland geborener britischer Physiker, der als Vater der Kernphysik bekannt wurde. Die Encyclopædia Britannica betrachtet ihn als den größten Experimentalisten seit Michael Faraday.
In seinen frühen Arbeiten entdeckte Rutherford das Konzept der radioaktiven Halbwertszeit, das radioaktive Element Radon und unterschied sowie benannte Alpha- und Betastrahlung. Diese Arbeiten wurden an der McGill University in Montreal, Quebec, Kanada durchgeführt. Sie bildeten die Grundlage für den Nobelpreis für Chemie, den er 1908 „für seine Untersuchungen zur Desintegration der Elemente und die Chemie radioaktiver Substanzen" erhielt, für den er der erste kanadische und ozeanische Nobelpreisträger war.
Rutherford zog 1907 zur Victoria University of Manchester, heute University of Manchester im Vereinigten Königreich, wo er und Thomas Royds bewiesen, dass Alphastrahlung Heliumkerne sind. Rutherford führte seine berühmteste Arbeit durch, nachdem er Nobelpreisträger wurde. 1911 theoretisierte er, obwohl er nicht beweisen konnte, ob sie positiv oder negativ war, dass Atome ihre Ladung in einem sehr kleinen Atomkern konzentriert haben, und legte damit den Grundstein für das Rutherford-Atommodell durch seine Entdeckung und Interpretation der Rutherford-Streuung durch das Goldfolien-Experiment von Hans Geiger und Ernest Marsden. Er führte 1917 die erste künstlich induzierte Kernreaktion in Experimenten durch, bei denen Stickstoffkerne mit Alphateilchen beschossen wurden. Als Ergebnis entdeckte er die Emission eines subatomaren Teilchens, das er 1919 das „Wasserstoffatom" nannte, aber 1920 genauer als Proton bezeichnete.
Rutherford wurde 1919 Direktor des Cavendish Laboratory an der University of Cambridge. Unter seiner Leitung wurde das Neutron 1932 von James Chadwick entdeckt, und im selben Jahr wurde das erste Experiment zur kontrollierten Spaltung des Atomkerns von Studierenden unter seiner Leitung, John Cockcroft und Ernest Walton, durchgeführt. Nach seinem Tod 1937 wurde er in der Westminster Abbey in der Nähe von Sir Isaac Newton beigesetzt. Das chemische Element Rutherfordium, Element 104, wurde 1997 nach ihm benannt.
Biografie
Frühjahre und Ausbildung
Ernest Rutherford war der Sohn von James Rutherford, einem Bauern, und seiner Frau Martha Thompson, ursprünglich aus Hornchurch, Essex, England. James war von Perth, Schottland, nach Neuseeland ausgewandert, um „ein wenig Flachs und viele Kinder großzuziehen". Ernest wurde in Brightwater in der Nähe von Nelson, Neuseeland, geboren. Sein Vorname wurde fälschlicherweise als „Earnest" registriert. Rutherfords Mutter Martha Thompson war Schullehrerin.
Er studierte an der Havelock School und dann am Nelson College und erhielt ein Stipendium zum Studium am Canterbury College, University of New Zealand, wo er an der Debattiergesellschaft teilnahm und Rugby spielte. Nach seinem BA, MA und BSc sowie zwei Jahren Forschung, während derer er eine neue Form des Radioempfängers erfand, erhielt Rutherford 1895 ein 1851 Research Fellowship von der Royal Commission for the Exhibition of 1851, um nach England zu reisen und postgraduale Studien am Cavendish Laboratory, University of Cambridge zu absolvieren. Er war einer der ersten der „Aliens" – diejenigen ohne Cambridge-Abschluss, denen Forschungen an der Universität unter der Leitung von J. J. Thomson gestattet wurden, was Eifersucht unter den konservativeren Mitgliedern der Cavendish-Gemeinschaft hervorrief. Mit Thomsons Ermutigung gelang es ihm, Radiowellen in einer halben Meile Entfernung zu erkennen und hielt kurzzeitig den Weltrekord für die Entfernung, über die elektromagnetische Wellen erkannt werden konnten, doch als er seine Ergebnisse auf dem Treffen der British Association 1896 präsentierte, entdeckte er, dass er von Guglielmo Marconi übertroffen worden war, der ebenfalls einen Vortrag hielt.
1898 empfahl Thomson Rutherford für eine Position an der McGill University in Montreal, Kanada. Er sollte Hugh Longbourne Callendar ersetzen, der den Lehrstuhl als Macdonald Professor of Physics innehatte und nach Cambridge kam. Rutherford wurde akzeptiert, was bedeutete, dass er 1900 Mary Georgina Newton 1876–1954 heiraten konnte, mit der er sich vor der Abreise aus Neuseeland verlobt hatte; sie heirateten in der St Paul's Anglican Church, Papanui in Christchurch, sie hatten eine Tochter, Eileen Mary 1901–1930, die den Physiker Ralph Fowler heiratete. 1901 erhielt Rutherford einen DSc von der University of New Zealand. 1907 kehrte er nach Großbritannien zurück, um den Lehrstuhl für Physik an der Victoria University of Manchester zu übernehmen.
Spätere Jahre und Auszeichnungen
Rutherford wurde 1914 zum Ritter geschlagen. Während des Ersten Weltkriegs arbeitete er an einem streng geheimen Projekt, um die praktischen Probleme der U-Boot-Erkennung durch Sonar zu lösen. 1916 erhielt er die Hector Memorial Medal. 1919 kehrte er zum Cavendish zurück und folgte J. J. Thomson als Cavendish-Professor und Direktor nach. Unter ihm wurden Nobelpreise an James Chadwick für die Entdeckung des Neutrons 1932, John Cockcroft und Ernest Walton für ein Experiment, das als Spaltung des Atoms unter Verwendung eines Teilchenbeschleunigers bekannt werden sollte, und Edward Appleton für den Nachweis der Existenz der Ionosphäre verliehen. 1925 drängte Rutherford die neuseeländische Regierung, Bildung und Forschung zu unterstützen, was 1926 zur Gründung des Department of Scientific and Industrial Research DSIR führte. Zwischen 1925 und 1930 war er Präsident der Royal Society und später Präsident des Academic Assistance Council, der fast 1.000 Universitätsflüchtlinge aus Deutschland half. Er wurde 1925 in die Order of Merit aufgenommen und 1931 als Baron Rutherford of Nelson, of Cambridge in der Grafschaft Cambridge in den Adelsstand erhoben, ein Titel, der 1937 mit seinem unerwarteten Tod erlosch. 1933 war Rutherford einer der zwei ersten Empfänger der T. K. Sidey Medal, die von der Royal Society of New Zealand als Auszeichnung für hervorragende wissenschaftliche Forschung eingerichtet wurde.
Einige Zeit vor seinem Tod hatte Rutherford einen kleinen Bruch, den er versäumt hatte zu beheben, und dieser wurde eingeklemmt, was ihn schwer krank machte. Trotz einer Notoperation in London starb er vier Tage später an dem, was Ärzte „Darmlähmung" nannten, in Cambridge. Nach der Einäscherung im Golders Green Crematorium erhielt er die hohe Ehre, in der Westminster Abbey beigesetzt zu werden, in der Nähe von Isaac Newton und anderen illustren britischen Wissenschaftlern.
Wissenschaftliche Forschung
In Cambridge begann Rutherford mit J. J. Thomson an den leitenden Effekten von Röntgenstrahlen auf Gase zu arbeiten, Arbeiten, die zur Entdeckung des Elektrons führten, das Thomson 1897 der Welt präsentierte. Als er von Becquerels Erfahrung mit Uran hörte, begann Rutherford, seine Radioaktivität zu erforschen und entdeckte zwei Typen, die sich von Röntgenstrahlen in ihrer Durchdringungskraft unterschieden. Während er seine Forschung in Kanada fortsetzte, prägte er 1899 die Begriffe Alphastrahlung und Betastrahlung, um die zwei unterschiedlichen Strahlungstypen zu beschreiben. Er entdeckte dann, dass Thorium ein Gas abgab, das eine Emanation erzeugte, die selbst radioaktiv war und andere Substanzen beschichten würde. Er stellte fest, dass eine Probe dieses radioaktiven Materials einer beliebigen Größe unweigerlich die gleiche Zeit benötigte, damit die Hälfte der Probe zerfiel – ihre „Halbwertszeit" 11½ Minuten in diesem Fall.
Von 1900 bis 1903 wurde er in McGill von dem jungen Chemiker Frederick Soddy Nobelpreis für Chemie, 1921 begleitet, für den er die Aufgabe stellte, die Thoriumemissionen zu identifizieren. Nachdem er alle normalen chemischen Reaktionen ausgeschlossen hatte, schlug Soddy vor, dass es sich um eines der Edelgase handeln musste, das sie Thoron nannten, später herausgefunden, ein Isotop von Radon zu sein. Sie fanden auch eine andere Art von Thorium, die sie Thorium X nannten, und entdeckten immer wieder Spuren von Helium. Sie arbeiteten auch mit Proben von „Uranium X" von William Crookes und Radium von Marie Curie.
1903 veröffentlichten sie ihre „Law of Radioactive Change", um alle ihre Experimente zu erklären. Bis dahin wurde angenommen, dass Atome die unzerstörbare Grundlage aller Materie sind, und obwohl Curie vorgeschlagen hatte, dass Radioaktivität ein atomares Phänomen ist, war die Idee, dass Atome radioaktiver Substanzen zerfallen, eine radikale Neuerung. Rutherford und Soddy zeigten, dass Radioaktivität die spontane Desintegration von Atomen in andere, noch nicht identifizierte Materie beinhaltet. Der Nobelpreis für Chemie 1908 wurde Ernest Rutherford „für seine Untersuchungen zur Desintegration der Elemente und die Chemie radioaktiver Substanzen" verliehen.
1903 betrachtete Rutherford eine Art von Strahlung, die vom französischen Chemiker Paul Villard 1900 entdeckt, aber nicht benannt worden war, als eine Emission von Radium, und erkannte, dass diese Beobachtung etwas anderes darstellen musste als seine eigenen Alpha- und Betastrahlen, aufgrund ihrer viel größeren Durchdringungskraft. Rutherford gab daher dieser dritten Strahlungsart den Namen Gammastrahlung. Alle drei von Rutherfords Begriffe sind heute in standardisierter Verwendung – andere Arten von radioaktivem Zerfall wurden seitdem entdeckt, aber Rutherfords drei Typen gehören zu den häufigsten.
1904 schlug Rutherford vor, dass Radioaktivität eine Energiequelle darstellt, die ausreicht, um die Existenz der Sonne für die vielen Millionen von Jahren zu erklären, die für die langsame biologische Evolution auf der Erde erforderlich sind, die von Biologen wie Charles Darwin vorgeschlagen wird. Der Physiker Lord Kelvin hatte sich zuvor für eine viel jüngere Erde ausgesprochen, siehe auch William Thomson, 1st Baron Kelvin#Age of the Earth: Geologie basierend auf der Unzulänglichkeit bekannter Energiequellen, aber Rutherford wies auf einem Vortrag, bei dem Kelvin anwesend war, darauf hin, dass Radioaktivität dieses Problem lösen könnte.
In Manchester setzte er die Arbeit mit Alphastrahlung fort. In Zusammenarbeit mit Hans Geiger entwickelte er Zinksulfid-Szintillationsschirme und Ionisationskammern zum Zählen von Alphas. Durch Division der Gesamtladung, die sie erzeugten, durch die Anzahl der gezählten, beschloss Rutherford, dass die Ladung des Alpha zwei ist. Ende 1907 ließen Ernest Rutherford und Thomas Royds Alphas durch ein sehr dünnes Fenster in eine evakuierte Röhre eindringen. Als sie die Röhre in Entladung funkensprangen, änderte sich das Spektrum, das davon erhalten wurde, da sich die Alphas in der Röhre ansammelten. Schließlich erschien das klare Spektrum von Heliumgas und bewies, dass Alphas mindestens ionisierte Heliumatome und wahrscheinlich Heliumkerne waren.
Ein lange bestehender Mythos existierte, mindestens seit 1948 und lief mindestens bis 2017, dass Rutherford der erste Wissenschaftler war, der eine künstliche Transmutation eines stabilen Elements in ein anderes Element beobachtete und berichtete: Stickstoff in Sauerstoff. Viele Menschen hielten dies für eine von Rutherfords größten Leistungen. Die neuseeländische Regierung gab sogar eine Gedenkmarke in dem Glauben aus, dass die Entdeckung der Stickstoff-zu-Sauerstoff-Umwandlung Rutherford gehörte. Ab 2017 korrigierten viele wissenschaftliche Institutionen ihre Versionen dieser Geschichte, um anzugeben, dass das Entdeckungsverdienst für die Reaktion Patrick Blackett gehört. Rutherford entdeckte das ausgestoßene Proton 1919 und interpretierte es als Beweis für die Desintegration des Stickstoffkerns zu leichteren Kernen. 1925 zeigte Blackett, dass das tatsächliche Produkt Sauerstoff ist und identifizierte die wahre Reaktion als 14N + α → 17O + p. Rutherford erkannte daher „dass der Kern an Masse zunehmen kann, anstatt abzunehmen, als Ergebnis von Kollisionen, bei denen das Proton ausgestoßen wird".
Goldfolien-Experiment
Rutherford führte seine berühmteste Arbeit nach Erhalt des Nobelpreises 1908 durch. Zusammen mit Hans Geiger und Ernest Marsden führte er 1909 das Geiger-Marsden-Experiment durch, das die Kernatur von Atomen durch Ablenkung von Alphateilchen, die eine dünne Goldfolie durchdrangen, nachwies. Rutherford wurde inspiriert, Geiger und Marsden in diesem Experiment aufzufordern, nach Alphateilchen mit sehr hohen Ablenkungswinkeln zu suchen, einer Art, die von keiner Materietheorie zu dieser Zeit erwartet wurde. Solche Ablenkungen wurden, obwohl selten, gefunden und stellten sich als eine glatte, aber hochgradige Funktion des Ablenkungswinkels heraus. Es war Rutherfords Interpretation dieser Daten, die ihn 1911 dazu führte, das Rutherford-Atommodell zu formulieren – dass ein sehr kleiner geladener Atomkern, der einen Großteil der Atommasse enthält, von Elektronen mit niedriger Masse umkreist wird.
1919–1920 stellte Rutherford fest, dass Stickstoff und andere leichte Elemente ein Proton ausgestoßen, das er ein „Wasserstoffatom" nannte, wenn es mit α Alphateilchen getroffen wurde. Dieses Ergebnis zeigte Rutherford, dass Wasserstoffkerne Teil von Stickstoffkernen waren und durch Rückschluss wahrscheinlich auch andere Kerne. Eine solche Konstruktion war viele Jahre lang aufgrund von Atommassen vermutet worden, die ganze Zahlen derjenigen von Wasserstoff waren; siehe Proust-Hypothese. Wasserstoff war bekannt als das leichteste Element, und seine Kerne vermutlich die leichtesten Kerne. Jetzt, aufgrund all dieser Überlegungen, beschloss Rutherford, dass ein Wasserstoffkern möglicherweise ein grundlegender Baustein aller Kerne war und auch möglicherweise ein neues fundamentales Teilchen, da nichts aus dem Kern bekannt war, das leichter war. So bestätigte und erweiterte er die Arbeiten von Wilhelm Wien, der 1898 entdeckte
