Ърнест Ръдърфорд, първи барон Ръдърфорд Нелсън (на английски: Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson) е британски физик от новозеландски произход, известен като баща на ядрената физика. Считан е за най-добрия експериментатор след Майкъл Фарадей.
В началото на научната си дейност той предлага идеята за периода на радиоактивния полуразпад, доказва, че радиоактивността е свързана с преобразуването на един химичен елемент в друг, и прави разграничение между алфа- и бета-радиация. През 1908 година получава Нобелова награда за химия за своите „проучвания на разпадането на елементите и химията на радиоактивните вещества“.
Ръдърфорд извършва най-важните си изследвания след получаването на Нобеловата награда. През 1911 година той предлага модел на атома, според който положителният електрически заряд на атомите е концентриран в много малко ядро, опитвайки се да обясни разсейването на алфа-частици при преминаване през златно фолио (виж повече тук). През 1917 година той извършва първата експериментална ядрена реакция и ръководи групата, провела първото контролирано делене на атомно ядро през 1932 година.
Биография Младежки години
Ърнест Ръдърфорд е роден на 30 август 1871 година в Спринг Гроув (сега Брайтуотър), Нова Зеландия. Негови родители са земеделецът Джеймс Ръдърфорд и съпругата му Марта Томпсън, учителка, преселници от Хорнчърч, Есекс, Англия (днес част от Лондон). . Ърнест е четвърто поред дете и втори син в семейството.
Ръдърфорд учи в училището Хейвлок, а след това в колежа в близкия до Спринг Гроув град Нелсън. Справя се добре и получава стипендия, с която продължава образованието си в Кентърбърийския колеж на Новозеландския университет в Крайстчърч, където играе ръгби и участва в дебати. Получава бакалавърска и магистърска степен по физика, математика и математическа физика. През 1895 г. Ръдърфорд получава изследователска стипендия от Кралската комисия, управляваща печалбите от изложението от 1851 г., и избира да продължи работата си в Кавендишката лаборатория на Кеймбриджкия университет под ръководството на Джоузеф Джон Томсън. Заминава за Англия същата година и става първият студент изследовател от друг университет (т.нар. „извънземни“ без кеймбриджка степен), което предизвиква ревност у по-консервативните членове на колегията в Кавендиш.
През първите две години в Кеймбридж се занимава с електромагнитни вълни (открити от Хайнрих Херц) и ефекта на магнетизиране и размагнетизиране на желязна игла от променлив ток и създава форма на радиоприемник. Апаратът на Ръдърфорд за детекция на радиовълни е прост и има търговски потенциал и като се опитва да увеличи неговия диапазон и чувствителност, той постига половин миля и за кратко държи световния рекорд за предаване на електромагнитни вълни на най-голямо разстояние, докато през 1896 г. не представя резултатите си на заседанието на Британската асоциация и открива, че е изпреварен от Гулиелмо Маркони.
През 1898 г. Томсън препоръчва Ръдърфорд за позиция в университета Макгил в Монреал, Канада. Той трябва да замени Хю Лонгбърн Каландар, който заема поста Макдоналд професор по физика и идва в Кеймбридж. Ръдърфорд е приет, което означава, че през 1900 г. той може да се ожени за Мери Джорджина Нютон (1876 – 1954), с която се е сгодил, преди да напусне Нова Зеландия. Те се женят в англиканската църква „Свети Павел, Папануи“ в Крайстчърч. Те имат една дъщеря, Айлин Мери (1901 – 1930), която се омъжва за Ралф Фаулър. През 1901 г. той получава докторска степен от университета в Нова Зеландия.
Зрели години
В Канада Ръдърфорд работи активно в зараждащата се научна област на радиоактивността. Работи с Фредерик Соди, Бордън Болтууд и с германеца Ото Хан. През 1902 – 03 г. заедно със Соди разработват теория за трансформацията на елементите (disintegration theory) за обяснение на радиоактивността. Ръдърфорд пише и първия учебник по темата Radioactivity (1904). Неговите резултати в Монреал водят до удостояването му с Нобелова награда за химия през 1908 г.
През 1907 г. се завръща във Великобритания, за да заеме поста декан по физика във Викторианския университет в Манчестър. Заедно с Ханс Гайгер разработват апарат, който отчита йонизиращите частици, по-късно станал известен като Гайгеров брояч и превърнал се в универсален инструмент за измерване на йонизиращо лъчение. Ръдърфорд успява да изолира алфа-частици и да извърши спектрометричен анализ, като доказва, че това са хелиеви йони. Заедно с Болтууд, който го посещава, преизчисляват скоростта на превръщане на радия в хелий и изчисляват по-точна стойност на числото на Авогадро.
Продължавайки да изследва алфа-частиците, Ръдърфорд се насочва към експерименти с облъчване на тънко фолио. Към него се присъединява Гайгер и те събират резултати. През 1909 г. студентът на Ръдърфорд Ърнест Марсдън получава задача да изследва разсейването на големи ъгли и така провежда експеримент на Гайгер-Марсдън, с който е доказано съществуването на атомно ядро.
Той е посветен в рицарство през 1914 г.. Първата световна война прекъсва научните изследвания в лабораторията, а самият Ръдърфорд е включен в проекти за решаване на практическите проблеми на откриването на подводници от сонари. и е член на научен съвет към Адмиралтейството. Когато се връща към научните си интереси, изследва сблъсъка на алфа-частици с газови молекули. В случай на водород детекторът регистрира разсеяни протони, както се очаква. Но такива изненадващо се регистрират и когато газът е азот. През 1919 г. Ръдърфорд обяснява своето трето голямо откритие: изкуствено предизвикана ядрена реакция в стабилен елемент.
Ядрените реакции продължават да го занимават и по-късно. През 1919 г. той се завръща в Кеймбридж като ръководител на лабораторията Кавендиш на мястото на Томсън. Заедно с него от Манчестър идва колегата му Джеймс Чадуик и двамата експериментират с бомбардирането на леки химични елементи с алфа частици и техните трансформации. При по-тежките елементи срещат затруднения, тъй като технологията им е ограничена. Лабораторията Кавендиш се превръща в център на интензивни научни изследвания, започва разработка на линейни ускорители, на камерата на Уилсън и др. През 1932 г. при облъчване на берилиева мишена с поток от алфа-частици Чадуик открива съществуването на неутрона и получава за това Нобелова награда за физика. Нобелови награди през 40-те и 50-те години на ХХ век получават и свързаните с Кавендиш Джон Кокрофт и Ърнест Уолтън за експеримента, при който става разделяне на атома с помощта на ускорител на частици, и Едуард Епълтън за демонстриране на съществуването на йоносферата.
Продължава изследването на спектри на бета и гама-лъчи, които спомагат за разбиране на структурата на атома. С малко количество тежка вода, получена от САЩ през 1934 г. Ръдърфорд, Марк Олифант и Паул Хартек съумяват да инициират първата термоядрена реакция, като бомбардират деутерий..
По-късни години и смърт
През 1925 г. Ръдърфорд отправя призиви към правителството на Нова Зеландия да подкрепи образованието и научните изследвания, което довежда до формирането на Катедрата за научни и индустриални изследвания през следващата година. Между 1925 и 1930 г. той е президент на Кралското общество, а по-късно и президент на Съвета за академична помощ, който помага на почти 1000 университетски бежанци от Германия. Награден е с орден за заслуги по време на Новогодишните почетни награди от 1925 г. и е издигнат като барон Ръдърфорд Нелсън от Кеймбридж в графство Кеймбридж през 1931 г. – титла, която изчезва при неочакваната му смърт през 1937 г. Заедно с М. Олифънт доказва експериментално (1933) закона за връзката между масата и енергията при ядрените реакции, а през 1934 г. осъществява синтез на деутрони с образуване на тритий. През 1933 г., Ръдърфорд е един от двамата получатели на медала „ТК Сиди“, създаден от Кралското дружество на Нова Зеландия като награда за изключителни научни постижения. Известно време преди смъртта си, Ръдърфорд има малка херния, която пренебрегва да отстрани и тя се усложнява, което го кара да се разболее тежко. Въпреки спешната операция в Лондон, той умира четири дни след това, което лекарите наричат „чревна парализа“, в Кеймбридж. Умира на 19 октомври 1937 г. в Кеймбридж. След кремацията е удостоен с високата чест за погребение в Уестминстърското абатство, близо до Исак Нютон и други знаменити британски учениHeilbron, J. L. (2003) Ernest Rutherford and the Explosion of Atoms. Oxford: Oxford University Press. pp. 123 – 124. ISBN|0-19-512378-6.
Научна и изследователска дейност Изследвания на радиоактивността Видове радиоактивност и период на полуразпад
В Кеймбридж, Ръдърфорд започва да работи с Томсън върху проводящите ефекти на рентгеновите лъчи в газове, работа, която води до откриването на електрона, който Томсън представя на света през 1897 г. Чувайки за опита на Анри Бекерел, откривателят на естествената радиоактивност, с уран, Ръдърфорд започва да изследва неговата радиоактивност, откривайки два вида, които се различават от рентгеновите лъчи по своята проникваща сила. Продължавайки изследванията си в Канада, той въвежда термините алфа-лъчи и бета-лъчи през 1899 г., за да опише двата отделни типа радиация. Тогава той открива, че торият отделя газ, който произвежда еманация, която сама по себе си е радиоактивна и покрива други вещества. Той открива, че за пробата от този радиоактивен материал с какъвто и да е размер неизменно е необходимо същото време за разпадането на половината от пробата – периодът на полуразпад.
Закон за радиоактивния разпад От 1900 до 1903 г. той се присъединява към младия химик Фредерик Соди (Нобелова награда за химия, 1921 г.), пред когото поставя проблема с идентифицирането на ториевите излъчвания. Те разработват теорията на радиоактивния разпад и открива закона за радиоактивните превръщания. След като елиминира всички нормални химични реакции, Соди предполага, че това трябва да е един от инертните газове, които са нарекли торон (по-късно е установено, че е изотоп на радон). Те също откриват друг вид торий, който наричат Торий X, и продължават да намират следи от хелий. Те също работят с мостри на Уран Х от Уилям Крукс и радий от Мари Кюри.
През 1903 г. публикуват „Закон за радиоактивните промени“, за да докладват за всичките си експерименти. Дотогава атомите са се считали за неразрушима основа на цялата материя и въпреки че Кюри предполага, че радиоактивността е атомно явление, идеята за разпадането на атомите на радиоактивни вещества е коренно нова идея. Ръдърфорд и Соди доказват, че радиоактивността включва спонтанното разпадане на атомите в друга, все още неидентифицирана материя. Нобеловата награда за химия за 1908 г. е присъдена на Ърнест Ръдърфорд „за изследванията му върху разпадането на елементите и химията на радиоактивните вещества“.
През 1903 г. Ръдърфорд взима под внимание вид излъчване, открито (но неименувано) от френския химик Пол Виярд през 1900 г., като излъчване от радий и осъзнава, че това трябва да представлява нещо различно от откритите от него алфа и бета лъчи, тъй като има много по-голяма проникваща сила. Ръдърфорд дава на този трети вид излъчване името гама лъчи. И трите термина на Ръдърфорд са в стандартна употреба днес – оттогава са открити други видове радиоактивен разпад, но трите вида, открити от Ръдърфорд са сред най-разпространените.
Положително зареденото лъчение алфа-лъчи по-късно се оказва хелиеви ядра, състоящи се от два протона и два неутрона. Отрицателно заредените, наречени бета-лъчи, както се установява по-късно са високоенергийни електрони, а неутралните гама-лъчи се оказват поток от високоенергийни фотони, излъчени от ядрото на атомите.
През периода 1898 – 1907 е професор в университета „Макхил“ в Монреал, Канада, а през 1907 – 1919 г. е професор и директор на физическата лаборатория в Манчестърския университет.