Tutta la scienza è o fisica o filatelia.
Ernest Rutherford era un fisico britannico nato in Nuova Zelanda che divenne noto come il padre della fisica nucleare. L'Encyclopædia Britannica lo considera il più grande sperimentatore da Michael Faraday.
Nei suoi primi lavori, Rutherford scoprì il concetto di emivita radioattiva, l'elemento radioattivo radon, e differenziò e denominò la radiazione alfa e beta. Questo lavoro fu svolto presso la McGill University di Montreal, Quebec, Canada. È la base del Premio Nobel per la Chimica che gli fu assegnato nel 1908 "per le sue indagini sulla disintegrazione degli elementi e la chimica delle sostanze radioattive", per il quale fu il primo premio Nobel canadese e oceaniano.
Rutherford si trasferì nel 1907 alla Victoria University of Manchester, oggi University of Manchester nel Regno Unito, dove lui e Thomas Royds provarono che la radiazione alfa è costituita da nuclei di elio. Rutherford eseguì il suo lavoro più famoso dopo aver ricevuto il Premio Nobel. Nel 1911, sebbene non potesse provare se fosse positiva o negativa, teorizzò che gli atomi hanno la loro carica concentrata in un nucleo molto piccolo, e così fu il pioniere del modello atomico di Rutherford, attraverso la sua scoperta e interpretazione dello scattering di Rutherford dall'esperimento della lamina d'oro di Hans Geiger ed Ernest Marsden. Nel 1917 eseguì la prima reazione nucleare artificialmente indotta in esperimenti in cui i nuclei di azoto furono bombardati con particelle alfa. Di conseguenza, scoprì l'emissione di una particella subatomica che, nel 1919, chiamò "atomo di idrogeno" ma, nel 1920, denominò più accuratamente protone.
Rutherford divenne Direttore del Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge nel 1919. Sotto la sua guida il neutrone fu scoperto da James Chadwick nel 1932 e nello stesso anno il primo esperimento per scindere il nucleo in modo completamente controllato fu eseguito da studenti che lavoravano sotto la sua direzione, John Cockcroft ed Ernest Walton. Dopo la sua morte nel 1937, fu sepolto nell'Abbazia di Westminster vicino a Sir Isaac Newton. L'elemento chimico rutherfordio, elemento 104, fu denominato in suo onore nel 1997.
Biografia
Primi anni e istruzione
Ernest Rutherford era il figlio di James Rutherford, un agricoltore, e di sua moglie Martha Thompson, originaria di Hornchurch, Essex, Inghilterra. James aveva emigrato in Nuova Zelanda da Perth, Scozia, "per coltivare un po' di lino e molti figli". Ernest nacque a Brightwater, vicino a Nelson, in Nuova Zelanda. Il suo nome di battesimo fu erroneamente scritto 'Earnest' quando la sua nascita fu registrata. La madre di Rutherford, Martha Thompson, era un'insegnante di scuola.
Studiò alla Havelock School e poi al Nelson College e vinse una borsa di studio per studiare al Canterbury College, Università della Nuova Zelanda, dove partecipò alla società di dibattito e giocò a rugby. Dopo aver conseguito il BA, MA e BSc, e dopo aver svolto due anni di ricerca durante i quali inventò una nuova forma di ricevitore radio, nel 1895 Rutherford ricevette una borsa di ricerca 1851 dalla Reale Commissione per l'Esposizione del 1851, per recarsi in Inghilterra per studi post-laurea al Cavendish Laboratory, Università di Cambridge. Era tra i primi degli 'stranieri' coloro che non avevano una laurea di Cambridge autorizzati a fare ricerca presso l'università, sotto la guida di J. J. Thomson, il che suscitò gelosie dai membri più conservatori della fratellanza del Cavendish. Con l'incoraggiamento di Thomson, riuscì a rilevare onde radio a mezzo miglio e brevemente detenne il record mondiale per la distanza alla quale le onde elettromagnetiche potevano essere rilevate, anche se quando presentò i suoi risultati alla riunione della British Association nel 1896, scoprì di essere stato superato da Guglielmo Marconi, che stava anche tenendo una lezione.
Nel 1898, Thomson raccomandò Rutherford per una posizione presso la McGill University di Montreal, Canada. Doveva sostituire Hugh Longbourne Callendar che ricopriva la cattedra di Macdonald Professor di fisica e veniva a Cambridge. Rutherford fu accettato, il che significava che nel 1900 poteva sposare Mary Georgina Newton 1876–1954 con la quale si era fidanzato prima di lasciare la Nuova Zelanda; si sposarono nella chiesa anglicana di St Paul, Papanui a Christchurch, ebbero una figlia, Eileen Mary 1901–1930, che sposò il fisico Ralph Fowler. Nel 1901, Rutherford conseguì un DSc dall'Università della Nuova Zelanda. Nel 1907, tornò in Gran Bretagna per ricoprire la cattedra di fisica alla Victoria University of Manchester.
Ultimi anni e onori
Rutherford fu nominato cavaliere nel 1914. Durante la prima guerra mondiale, lavorò a un progetto altamente segreto per risolvere i problemi pratici della rilevazione dei sottomarini mediante sonar. Nel 1916, gli fu assegnata la Medaglia Commemorativa di Hector. Nel 1919, tornò al Cavendish succedendo a J. J. Thomson come professore del Cavendish e Direttore. Sotto di lui, i Premi Nobel furono assegnati a James Chadwick per aver scoperto il neutrone nel 1932, John Cockcroft ed Ernest Walton per un esperimento che sarebbe diventato noto come scissione dell'atomo utilizzando un acceleratore di particelle, ed Edward Appleton per aver dimostrato l'esistenza dell'ionosfera. Nel 1925, Rutherford spinse gli appelli al Governo della Nuova Zelanda per sostenere l'istruzione e la ricerca, che portò alla formazione del Dipartimento della Ricerca Scientifica e Industriale DSIR nell'anno successivo. Tra il 1925 e il 1930, servì come Presidente della Royal Society, e in seguito come presidente dell'Academic Assistance Council che aiutò quasi 1.000 rifugiati universitari dalla Germania. Fu nominato all'Order of Merit negli Onori di Capodanno del 1925 e elevato alla parìa come Baron Rutherford of Nelson, of Cambridge nella Contea di Cambridge nel 1931, un titolo che si estinse alla sua morte inaspettata nel 1937. Nel 1933, Rutherford fu uno dei due primi destinatari della Medaglia T. K. Sidey, istituita dalla Royal Society of New Zealand come premio per la ricerca scientifica straordinaria.
Per un certo periodo prima della sua morte, Rutherford aveva una piccola ernia, che aveva trascurato di far riparare, e si strangolò, causandogli di essere violentemente malato. Nonostante un'operazione di emergenza a Londra, morì quattro giorni dopo di quella che i medici chiamarono "paralisi intestinale", a Cambridge. Dopo la cremazione al Crematorio di Golders Green, fu onorato dell'alto onore della sepoltura nell'Abbazia di Westminster, vicino a Isaac Newton e altri eminenti scienziati britannici.
Ricerca scientifica
A Cambridge, Rutherford iniziò a lavorare con J. J. Thomson sugli effetti conduttivi dei raggi X sui gas, lavoro che portò alla scoperta dell'elettrone che Thomson presentò al mondo nel 1897. Venendo a conoscenza dell'esperienza di Becquerel con l'uranio, Rutherford iniziò a esplorare la sua radioattività, scoprendo due tipi che differivano dai raggi X nel loro potere di penetrazione. Continuando la sua ricerca in Canada, coniò i termini raggio alfa e raggio beta nel 1899 per descrivere i due distinti tipi di radiazione. Scoprì quindi che il torio emetteva un gas che produceva un'emanazione che era essa stessa radioattiva e avrebbe ricoperto altre sostanze. Scoprì che un campione di questo materiale radioattivo di qualsiasi dimensione invariabilmente richiedeva la stessa quantità di tempo per il decadimento della metà del campione – la sua "emivita" 11½ minuti in questo caso.
Dal 1900 al 1903, fu raggiunto a McGill dal giovane chimico Frederick Soddy Premio Nobel per la Chimica, 1921 per il quale stabilì il problema di identificare le emanazioni di torio. Una volta che ebbe eliminato tutte le normali reazioni chimiche, Soddy suggerì che doveva essere uno dei gas inerti, che denominarono toron, in seguito ritenuto essere un isotopo di radon. Trovarono anche un altro tipo di torio che chiamarono Torio X, e continuarono a trovare tracce di elio. Lavorarono anche con campioni di "Uranio X" da William Crookes e radio da Marie Curie.
Nel 1903, pubblicarono la loro "Legge del Cambiamento Radioattivo", per spiegare tutti i loro esperimenti. Fino ad allora, si assumeva che gli atomi fossero la base indistruttibile di tutta la materia e sebbene Curie avesse suggerito che la radioattività era un fenomeno atomico, l'idea che gli atomi di sostanze radioattive si rompessero era un'idea radicalmente nuova. Rutherford e Soddy dimostrarono che la radioattività implicava la disintegrazione spontanea degli atomi in altre materie ancora non identificate. Il Premio Nobel per la Chimica 1908 fu assegnato a Ernest Rutherford "per le sue indagini sulla disintegrazione degli elementi e la chimica delle sostanze radioattive".
Nel 1903, Rutherford considerò un tipo di radiazione scoperta ma non denominata dal chimico francese Paul Villard nel 1900, come un'emissione da radio, e si rese conto che questa osservazione doveva rappresentare qualcosa di diverso dai suoi raggi alfa e beta, a causa del suo potere di penetrazione molto maggiore. Rutherford quindi diede a questo terzo tipo di radiazione il nome di raggio gamma. Tutti e tre i termini di Rutherford sono in uso standard oggi – altri tipi di decadimento radioattivo sono stati scoperti da allora, ma i tre tipi di Rutherford sono tra i più comuni.
Nel 1904, Rutherford suggerì che la radioattività fornisce una fonte di energia sufficiente a spiegare l'esistenza del Sole per i molti milioni di anni richiesti per la lenta evoluzione biologica sulla Terra proposta da biologi come Charles Darwin. Il fisico Lord Kelvin aveva sostenuto in precedenza un'Terra molto più giovane vedi anche William Thomson, 1° Baron Kelvin#Età della Terra: geologia basata sull'insufficienza di fonti energetiche conosciute, ma Rutherford sottolineò in una lezione cui partecipò Kelvin che la radioattività potrebbe risolvere questo problema.
A Manchester, continuò a lavorare con la radiazione alfa. In collaborazione con Hans Geiger, sviluppò schermi di scintillazione di solfuro di zinco e camere di ionizzazione per contare gli alfa. Dividendo la carica totale che producevano per il numero contato, Rutherford decise che la carica sull'alfa era due. Alla fine del 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds permisero agli alfa di penetrare una finestra molto sottile in un tubo evacuato. Mentre facevano scaricare il tubo, lo spettro ottenuto da esso cambiò, poiché gli alfa si accumulavano nel tubo. Alla fine, apparve lo spettro chiaro del gas elio, provando che gli alfa erano almeno atomi di elio ionizzati, e probabilmente nuclei di elio.
Un mito di lunga data esisteva, almeno dal 1948, fino almeno al 2017, che Rutherford era il primo scienziato a osservare e riferire una trasmutazione artificiale di un elemento stabile in un altro elemento: azoto in ossigeno. Era ritenuto da molte persone essere uno dei più grandi risultati di Rutherford. Il governo della Nuova Zelanda ha persino emesso un francobollo commemorativo nella convinzione che la scoperta dell'azoto in ossigeno appartenesse a Rutherford. A partire dal 2017, molte istituzioni scientifiche hanno corretto le loro versioni di questa storia per indicare che il merito della scoperta della reazione appartiene a Patrick Blackett. Rutherford rilevò il protone espulso nel 1919 e lo interpretò come prova della disintegrazione del nucleo di azoto in nuclei più leggeri. Nel 1925, Blackett mostrò che il prodotto effettivo è ossigeno e identificò la vera reazione come 14N + α → 17O + p. Rutherford quindi riconobbe "che il nucleo può aumentare piuttosto che diminuire di massa a causa di collisioni in cui il protone viene espulso".
Esperimento della lamina d'oro
Rutherford eseguì il suo lavoro più famoso dopo aver ricevuto il Premio Nobel nel 1908. Insieme a Hans Geiger ed Ernest Marsden nel 1909, condusse l'esperimento di Geiger–Marsden, che dimostrò la natura nucleare degli atomi deflettendo particelle alfa che attraversavano una sottile lamina d'oro. Rutherford fu ispirato a chiedere a Geiger e Marsden in questo esperimento di cercare particelle alfa con angoli di deflessione molto elevati, di un tipo non previsto da nessuna teoria della materia in quel momento. Tali deflessioni, sebbene rare, furono trovate, e si rivelarono essere una funzione liscia ma di alto ordine dell'angolo di deflessione. Fu l'interpretazione di Rutherford di questi dati che lo portò a formulare il modello atomico di Rutherford nel 1911 – che un nucleo carico molto piccolo, contenente gran parte della massa dell'atomo, era orbitato da elettroni a bassa massa.
Nel 1919–1920, Rutherford scoprì che l'azoto e altri elementi leggeri espulsero un protone, che chiamò "atomo di idrogeno", quando colpiti da particelle α alfa. Questo risultato mostrò a Rutherford che i nuclei di idrogeno erano parte dei nuclei di azoto e per deduzione, probabilmente anche di altri nuclei. Tale costruzione era stata sospettata per molti anni sulla base dei pesi atomici che erano numeri interi di quello dell'idrogeno; vedi l'ipotesi di Prout. L'idrogeno era noto per essere l'elemento più leggero, e i suoi nuclei presumibilmente i nuclei più leggeri. Ora, a causa di tutte queste considerazioni, Rutherford decise che un nucleo di idrogeno era possibilmente un mattone fondamentale di tutti i nuclei, e anche possibilmente una nuova particella fondamentale così come, poiché nulla era noto dal nucleo che fosse più leggero. Così, confermando ed estendendo il lavoro di Wilhelm Wien che nel 1898 scoprì il
