Toda ciência é física ou colecionar selos.
Ernest Rutherford foi um físico britânico nascido na Nova Zelândia que ficou conhecido como o pai da física nuclear. A Encyclopædia Britannica o considera o maior experimentalista desde Michael Faraday.
Em seus primeiros trabalhos, Rutherford descobriu o conceito de meia-vida radioativa, o elemento radioativo radônio, e diferenciou e nomeou a radiação alfa e beta. Este trabalho foi realizado na Universidade McGill em Montreal, Quebec, Canadá. É a base para o Prêmio Nobel de Química que ele recebeu em 1908 "por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioativas", pelo qual foi o primeiro ganhador do Prêmio Nobel canadense e oceânico.
Rutherford mudou-se em 1907 para a Victoria University of Manchester, hoje University of Manchester no Reino Unido, onde ele e Thomas Royds provaram que a radiação alfa é feita de núcleos de hélio. Rutherford realizou seu trabalho mais famoso após se tornar um Prêmio Nobel. Em 1911, embora não pudesse provar se era positiva ou negativa, ele teorizou que os átomos têm sua carga concentrada em um núcleo muito pequeno, e assim foi pioneiro no modelo de Rutherford do átomo, através de sua descoberta e interpretação do espalhamento de Rutherford pelo experimento de lâmina de ouro de Hans Geiger e Ernest Marsden. Ele realizou a primeira reação nuclear induzida artificialmente em 1917 em experimentos nos quais núcleos de nitrogênio foram bombardeados com partículas alfa. Como resultado, ele descobriu a emissão de uma partícula subatômica que, em 1919, ele chamou de "átomo de hidrogênio", mas, em 1920, nomeou mais precisamente como próton.
Rutherford tornou-se Diretor do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge em 1919. Sob sua liderança, o nêutron foi descoberto por James Chadwick em 1932 e no mesmo ano o primeiro experimento para dividir o núcleo de uma maneira totalmente controlada foi realizado por alunos trabalhando sob sua direção, John Cockcroft e Ernest Walton. Após sua morte em 1937, ele foi enterrado na Abadia de Westminster perto de Sir Isaac Newton. O elemento químico ruterfórdio, elemento 104, foi nomeado em sua homenagem em 1997.
Biografia
Primeiros anos e educação
Ernest Rutherford era filho de James Rutherford, um fazendeiro, e sua esposa Martha Thompson, originária de Hornchurch, Essex, Inglaterra. James havia emigrado para a Nova Zelândia de Perth, Escócia, "para cultivar um pouco de linho e muitos filhos". Ernest nasceu em Brightwater, perto de Nelson, Nova Zelândia. Seu primeiro nome foi incorretamente escrito como 'Earnest' quando seu nascimento foi registrado. A mãe de Rutherford, Martha Thompson, era professora de escola.
Ele estudou na Escola Havelock e depois no Nelson College e ganhou uma bolsa para estudar no Canterbury College, Universidade da Nova Zelândia, onde participou da sociedade de debates e jogou rugby. Após obter seu BA, MA e BSc, e fazer dois anos de pesquisa durante os quais inventou uma nova forma de receptor de rádio, em 1895 Rutherford recebeu uma Bolsa de Pesquisa de 1851 da Comissão Real para a Exposição de 1851, para viajar para a Inglaterra para estudo de pós-graduação no Laboratório Cavendish, Universidade de Cambridge. Ele estava entre os primeiros dos 'estrangeiros' – aqueles sem diploma de Cambridge – autorizados a fazer pesquisa na universidade, sob a liderança de J. J. Thomson, o que despertou ciúmes de membros mais conservadores da fraternidade Cavendish. Com o encorajamento de Thomson, ele conseguiu detectar ondas de rádio a meia milha e brevemente deteve o recorde mundial para a distância em que as ondas eletromagnéticas poderiam ser detectadas, embora quando apresentou seus resultados na reunião da British Association em 1896, descobriu que havia sido superado por Guglielmo Marconi, que também estava palestrando.
Em 1898, Thomson recomendou Rutherford para uma posição na Universidade McGill em Montreal, Canadá. Ele deveria substituir Hugh Longbourne Callendar que ocupava a cadeira de Professor Macdonald de física e estava vindo para Cambridge. Rutherford foi aceito, o que significava que em 1900 ele poderia se casar com Mary Georgina Newton (1876–1954) com quem havia ficado noivo antes de deixar a Nova Zelândia; eles se casaram na Igreja Anglicana de St Paul, Papanui em Christchurch. Tiveram uma filha, Eileen Mary (1901–1930), que se casou com o físico Ralph Fowler. Em 1901, Rutherford obteve um DSc da Universidade da Nova Zelândia. Em 1907, retornou à Grã-Bretanha para ocupar a cadeira de física na Victoria University of Manchester.
Anos posteriores e honrarias
Rutherford foi nomeado cavaleiro em 1914. Durante a Primeira Guerra Mundial, trabalhou em um projeto ultrassecreto para resolver os problemas práticos da detecção de submarinos por sonar. Em 1916, foi agraciado com a Medalha Hector Memorial. Em 1919, retornou ao Cavendish, sucedendo J. J. Thomson como professor Cavendish e Diretor. Sob sua liderança, Prêmios Nobel foram concedidos a James Chadwick por descobrir o nêutron em 1932, John Cockcroft e Ernest Walton por um experimento que ficaria conhecido como divisão do átomo usando um acelerador de partículas, e Edward Appleton por demonstrar a existência da ionosfera. Em 1925, Rutherford pressionou o governo da Nova Zelândia para apoiar educação e pesquisa, o que levou à formação do Departamento de Pesquisa Científica e Industrial (DSIR) no ano seguinte. Entre 1925 e 1930, serviu como Presidente da Royal Society, e posteriormente como presidente do Academic Assistance Council, que ajudou quase 1.000 refugiados universitários da Alemanha. Ele foi nomeado para a Ordem do Mérito nas Honrarias do Ano Novo de 1925 e elevado ao peerage como Baron Rutherford of Nelson, de Cambridge no Condado de Cambridge em 1931, um título que se extinguiu com sua morte inesperada em 1937. Em 1933, Rutherford foi um dos dois primeiros recipientes da Medalha T. K. Sidey, estabelecida pela Royal Society da Nova Zelândia como prêmio por pesquisa científica excepcional.
Por algum tempo antes de sua morte, Rutherford tinha uma pequena hérnia, que havia negligenciado em consertar, e ela ficou estrangulada, causando-lhe estar violentamente doente. Apesar de uma cirurgia de emergência em Londres, ele morreu quatro dias depois do que os médicos chamaram de "paralisia intestinal", em Cambridge. Após cremação no Crematorium Golders Green, recebeu a alta honra de ser enterrado na Abadia de Westminster, perto de Isaac Newton e outros ilustres cientistas britânicos.
Pesquisa científica
Em Cambridge, Rutherford começou a trabalhar com J. J. Thomson sobre os efeitos condutivos dos raios X em gases, trabalho que levou à descoberta do elétron que Thomson apresentou ao mundo em 1897. Sabendo da experiência de Becquerel com o urânio, Rutherford começou a explorar sua radioatividade, descobrindo dois tipos que diferiam dos raios X em seu poder de penetração. Continuando sua pesquisa no Canadá, ele cunhou os termos raio alfa e raio beta em 1899 para descrever os dois tipos distintos de radiação. Ele descobriu então que o tório liberava um gás que produzia uma emanação que era em si radioativa e revestiria outras substâncias. Ele descobriu que uma amostra deste material radioativo de qualquer tamanho invariavelmente levava o mesmo tempo para metade da amostra se desintegrar – sua "meia-vida" de 11½ minutos neste caso.
De 1900 a 1903, ele foi acompanhado em McGill pelo jovem químico Frederick Soddy (Prêmio Nobel de Química, 1921) para quem ele colocou o problema de identificar as emanações de tório. Uma vez que havia eliminado todas as reações químicas normais, Soddy sugeriu que deveria ser um dos gases inertes, que eles nomearam torônio (mais tarde descoberto ser um isótopo de radônio). Eles também encontraram outro tipo de tório que chamaram Tório X, e continuaram encontrando traços de hélio. Eles também trabalharam com amostras de "Urânio X" de William Crookes e rádio de Marie Curie.
Em 1903, eles publicaram sua "Lei da Mudança Radioativa", para explicar todos os seus experimentos. Até então, acreditava-se que os átomos eram a base indestrutível de toda a matéria e embora Curie tivesse sugerido que a radioatividade era um fenômeno atômico, a ideia de que os átomos de substâncias radioativas se desintegrassem era uma ideia radicalmente nova. Rutherford e Soddy demonstraram que a radioatividade envolvia a desintegração espontânea de átomos em outra matéria, ainda não identificada. O Prêmio Nobel de Química de 1908 foi concedido a Ernest Rutherford "por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioativas".
Em 1903, Rutherford considerou um tipo de radiação descoberto, mas não nomeado pelo químico francês Paul Villard em 1900, como uma emissão do rádio, e percebeu que essa observação deve representar algo diferente de seus próprios raios alfa e beta, devido ao seu poder de penetração muito maior. Rutherford portanto deu a este terceiro tipo de radiação o nome de raio gama. Todos os três termos de Rutherford estão em uso padrão hoje – outros tipos de desintegração radioativa foram descobertos desde então, mas os três tipos de Rutherford estão entre os mais comuns.
Em 1904, Rutherford sugeriu que a radioatividade fornece uma fonte de energia suficiente para explicar a existência do Sol pelos muitos milhões de anos necessários para a lenta evolução biológica na Terra proposta por biólogos como Charles Darwin. O físico Lord Kelvin havia argumentado anteriormente por uma Terra muito mais jovem (veja também William Thomson, 1º Baron Kelvin#Idade da Terra: geologia baseada na insuficiência de fontes de energia conhecidas), mas Rutherford apontou em uma palestra frequentada por Kelvin que a radioatividade poderia resolver este problema.
Em Manchester, ele continuou trabalhando com radiação alfa. Em conjunção com Hans Geiger, desenvolveu telas de cintilação de sulfeto de zinco e câmaras de ionização para contar alfas. Dividindo a carga total que produziram pelo número contado, Rutherford decidiu que a carga no alfa era dois. No final de 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds permitiram que as alfas penetrassem uma janela muito fina em um tubo evacuado. Quando eles acenderam o tubo em descarga, o espectro obtido dele mudou, conforme as alfas se acumulavam no tubo. Eventualmente, o espectro claro do gás hélio apareceu, provando que as alfas eram pelo menos átomos de hélio ionizados, e provavelmente núcleos de hélio.
Um mito de longa data existia, pelo menos desde 1948, até pelo menos 2017, de que Rutherford foi o primeiro cientista a observar e relatar uma transmutação artificial de um elemento estável em outro elemento: nitrogênio em oxigênio. Muitas pessoas acreditavam ser uma das maiores realizações de Rutherford. O governo da Nova Zelândia até emitiu um selo comemorativo na crença de que a descoberta nitrogênio-oxigênio pertencia a Rutherford. A partir de 2017, muitas instituições científicas corrigiram suas versões desta história para indicar que o crédito da descoberta pela reação pertence a Patrick Blackett. Rutherford detectou o próton ejetado em 1919 e o interpretou como evidência de desintegração do núcleo de nitrogênio em núcleos mais leves. Em 1925, Blackett mostrou que o produto real é oxigênio e identificou a verdadeira reação como 14N + α → 17O + p. Rutherford portanto reconheceu "que o núcleo pode aumentar em vez de diminuir em massa como resultado de colisões nas quais o próton é expelido".
Experimento da lâmina de ouro
Rutherford realizou seu trabalho mais famoso após receber o Prêmio Nobel em 1908. Juntamente com Hans Geiger e Ernest Marsden em 1909, ele realizou o experimento de Geiger–Marsden, que demonstrou a natureza nuclear dos átomos ao defletir partículas alfa passando por uma fina lâmina de ouro. Rutherford foi inspirado a pedir a Geiger e Marsden neste experimento para procurar partículas alfa com ângulos de deflexão muito altos, de um tipo não esperado de nenhuma teoria de matéria na época. Tais deflexões, embora raras, foram encontradas, e provaram ser uma função suave mas de alta ordem do ângulo de deflexão. Foi a interpretação de Rutherford destes dados que o levou a formular o modelo de Rutherford do átomo em 1911 – que um núcleo muito pequeno carregado, contendo muita da massa do átomo, era orbitado por elétrons de baixa massa.
Em 1919–1920, Rutherford descobriu que nitrogênio e outros elementos leves ejetavam um próton, que ele chamou de "átomo de hidrogênio", quando atingidos com partículas α (alfa). Este resultado mostrou a Rutherford que núcleos de hidrogênio eram parte de núcleos de nitrogênio e por inferência, provavelmente outros núcleos também. Tal construção havia sido suspeitada por muitos anos baseada em pesos atômicos que eram números inteiros do de hidrogênio; veja hipótese de Prout. O hidrogênio era conhecido por ser o elemento mais leve, e seus núcleos presumivelmente os núcleos mais leves. Agora, por causa de todas essas considerações, Rutherford decidiu que um núcleo de hidrogênio era possivelmente um bloco de construção fundamental de todos os núcleos, e também possivelmente uma nova partícula fundamental também, já que nada era conhecido do núcleo que fosse mais leve. Assim, confirmando e estendendo o trabalho de Wilhelm Wien que em 1898 descobriu o
