Ernest Rutherford: biografia, scoperte e fatti interessanti

Ernest Rutherford (foto sotto), Baron Rutherford Nelson e Cambridge (nato il 30/08/1871 a Spring Grove, in Nuova Zelanda - morto il 19/10/1937 a Cambridge, in Inghilterra) - un fisico britannico della Nuova Zelanda considerato il più grande sperimentatore dai tempi di Michael Faraday (1791-1867). Era una figura centrale nello studio della radioattività e il suo concetto di struttura dell'atomo dominava la fisica nucleare. Ha vinto il premio Nobel nel 1908, è stato presidente della Royal Society (1925-1930) e della British Association for the Advancement of Science (1923). Nel 1925 fu ammesso all'Ordine al Merito e nel 1931 gli fu conferito il titolo di Peer, ricevette il titolo di Lord Nelson.

Ernest Rutherford: una breve biografia nei primi anni di vita

Il padre di Ernest James a metà del 19esimo secolo trasferì suo figlio dalla Scozia alla Nuova Zelanda, che fu solo recentemente stabilita dagli europei, dove era impegnato in agricoltura. La madre di Rutherford, Martha Thompson, venne dall'Inghilterra da adolescente e lavorò come insegnante fino a quando si sposò e ebbe dieci figli, di cui Ernest era il quarto (e il secondo figlio).

Ernest ha studiato nelle scuole pubbliche gratuite fino al 1886, quando ha vinto una borsa di studio per studiare alla Nelson Private High School. Lo studente dotato eccelleva in quasi tutti i soggetti, ma soprattutto in matematica. Un'altra borsa di studio ha aiutato Rutherford a iscriversi nel 1890 al Canterbury College, uno dei quattro campus dell'Università della Nuova Zelanda. Era una piccola istituzione educativa, con uno staff di soli otto insegnanti, ma c'erano meno di 300 studenti.I giovani talenti avevano la fortuna di avere insegnanti eccellenti che accesero il suo interesse per la ricerca scientifica, supportati da prove affidabili.

Dopo aver completato un corso di studi di tre anni, Ernest Rutherford divenne uno scapolo e vinse una borsa di studio per un anno di studio alla Canterbury Graduate School. Completato alla fine del 1893, ha conseguito un Master of Arts - il primo grado in fisica, matematica e fisica matematica. Gli fu chiesto di rimanere per un altro anno a Christchurch per esperimenti indipendenti. Lo studio di Rutherford sulla capacità di una scarica elettrica ad alta frequenza, ad esempio, da un condensatore, per magnetizzare il ferro alla fine del 1894 gli valse un diploma di laurea in scienze. Durante questo periodo, si innamorò di Mary Newton, la figlia di una donna nella cui casa si stabilì. Si sposarono nel 1900. Nel 1895, Rutherford ricevette una borsa di studio intitolata alla World's Fair del 1851 a Londra. Decise di continuare le sue ricerche presso il Cavendish Laboratory, che nel 1884 JJ Thomson, uno dei massimi esperti europei nel campo delle radiazioni elettromagnetiche.

Cambridge

Riconoscendo la crescente importanza della scienza, l'Università di Cambridge ha cambiato le sue regole, consentendo ai laureati di altre università di ottenere un diploma dopo due anni di studio e di svolgere lavori scientifici accettabili. Il primo studente di ricerca era Rutherford. Ernest, oltre a dimostrare la magnetizzazione mediante scarica oscillante di ferro, ha scoperto che l'ago perde parte della sua magnetizzazione in un campo magnetico creato da una corrente alternata. Ciò ha permesso di creare un rilevatore di onde elettromagnetiche scoperte di recente. Nel 1864, il fisico teorico scozzese James Clerk Maxwell pronunciò la loro esistenza, e nel 1885-1889. Il fisico tedesco Heinrich Hertz li ha scoperti nel suo laboratorio. Il dispositivo di rilevamento delle onde radio di Rutherford era più semplice e aveva un potenziale commerciale. L'anno seguente, il giovane scienziato passò nel laboratorio Cavendish, aumentando la portata e la sensibilità del dispositivo, che poteva ricevere segnali a una distanza di mezzo miglio. Tuttavia, a Rutherford mancavano la visione intercontinentale e le capacità imprenditoriali dell'italiano Guglielmo Marconi, che inventò il telegrafo wireless nel 1896.

Studi di ionizzazione

Raggi X furono scoperti in Germania da Wilhelm Conrad Roentgen solo pochi mesi dopo la comparsa di Rutherford a Cavendish. Tutti erano molto interessati alla possibilità di fotografare le ossa di una persona vivente. Gli scienziati volevano saperne di più sulle proprietà dei raggi miracolosi e su quello che sono, e Rutherford era tra quelli curiosi. Ernest non poteva rifiutare l'invito onorario di Thomson a partecipare allo studio di come i raggi X cambiano la conduttività dei gas. Il risultato è stato il classico lavoro sulla ionizzazione: la separazione di atomi o molecole in parti positive e negative (ioni) e l'attrazione di particelle cariche in elettrodi di polarità opposta.

Studi di radiazioni

Thomson iniziò quindi a studiare il rapporto tra la carica e la massa dello ione più comune, che in seguito divenne noto come elettrone, mentre Rutherford studiò altri tipi di radiazioni che producevano ioni. Si rivolse all'ultravioletto e quindi alla radiazione emessa dall'uranio, scoperta per la prima volta nel 1896 dal fisico francese Henri Becquerel. Collocare l'uranio vicino a un sottile foglio permetteva a Rutherford di capire che la radiazione era più complicata di quanto si pensasse: una delle sue specie era facilmente assorbita o bloccata da uno strato di metallo molto sottile, ma l'altra spesso penetrava attraverso di essa. Per semplicità, ha chiamato questi tipi radiazione "alfa" e "beta" rispettivamente. Più tardi si è scoperto che le particelle α corrispondono al nucleo dell'atomo di elio e sono costituite da due protoni e due neutroni, mentre le particelle β sono un elettrone o la sua positività positrone. Nei prossimi anni, lo studio di questa radiazione era di interesse primario, e quindi l'attenzione della scienza si spostò su elementi radioattivi.

McGill University

Come ha continuato la vita e la carriera di un tale scienziato come Ernest Rutherford? Biografia Fisica dice che gli fu presto offerto un professore alla Canadian McGill University di Montreal, che poteva vantarsi di uno dei laboratori meglio attrezzati dell'emisfero occidentale. Rivolgendo la sua attenzione a uno dei tanti allora noti elementi radioattivi lui e il suo collega hanno scoperto che il torio rilascia un prodotto gassoso, che lo scienziato ha chiamato "emanazione". Egli, a sua volta, lasciò depositi solidi, che furono presto convertiti al torio A, B, C, ecc. È curioso che dopo il trattamento chimico alcune sostanze perdessero le loro proprietà radioattive, ma alla fine le recuperarono, mentre altre materiali, inizialmente forte, gradualmente perso attività. Ciò ha portato al concetto di tempo di dimezzamento - l'intervallo di tempo richiesto per il decadimento della metà dei nuclei atomici di un campione, che vanno da pochi secondi a miliardi di anni, unico per ciascun elemento radioattivo e, quindi, un mezzo eccellente per identificarli.

Teoria delle trasformazioni

Rutherford aveva bisogno dell'aiuto di un esperto chimico per far fronte al crescente numero di elementi radioattivi. Trasse Frederick Soddy da McGill, Bertram Borden Boltwood, un professore all'Università di Yale, e Otto Hahn, un ricercatore dalla Germania. Da Soddy nel 1902-1903 Ha sviluppato una teoria della trasformazione che spiega il fenomeno della radioattività. L'alchimia, con i suoi tentativi di trasformare il piombo in oro, è stata a lungo bandita dalla chimica moderna. Gli atomi erano considerati stabili. Ma Rutherford e Soddy sostenevano che l'energia della radioattività emanasse da loro, e l'emissione spontanea di particelle α- o β significa la trasformazione chimica di un elemento in un altro. Si aspettavano che questa teoria iconoclasta fosse confutata, ma l'autorità di molte prove sperimentali sopprimeva l'opposizione.

È stato presto scoperto che gli elementi radioattivi sono divisi in tre file, guidati da uranio, torio e attinio, e tutti portano alla formazione di piombo inattivo. Boltwood collocò il radio nel gruppo dell'uranio e, seguendo il consiglio di Rutherford, usò una quantità di piombo che aumentava lentamente nel minerale per mostrare che le rocce avevano miliardi di anni. Quest'ultimo riteneva che la particella alfa con una massa tangibile svolgesse un ruolo chiave nella trasformazione degli elementi. Ha determinato che ha una carica positiva, ma non può stabilire se sia un ione idrogeno o elio.

Sposato e famoso

In McGill, Ernest Rutherford (foto fornita nell'articolo) sposò la sua amata dalla Nuova Zelanda e divenne famosa. Ha invitato molti studenti di ricerca nel suo laboratorio, comprese le donne, quando pochissime donne erano impegnate nella scienza. Il fisico Ernest Rutherford era un noto docente e autore di articoli di giornali e riviste. Nel 1904, scrisse anche un importante libro di testo sulla radioattività. Aveva premi, l'appartenenza alla Royal Society of London e le inevitabili offerte di cooperazione.

Università di Manchester

C'era una buona comunità scientifica in Nord America, ma il centro mondiale della fisica era in Europa. Ernest Rutherford, il premio Nobel per la chimica, che è stato premiato per il suo lavoro a Montreal nel 1908, ha ottenuto un lavoro presso il dipartimento dell'Università di Manchester, il cui laboratorio era secondo solo a Cavendish.

Insieme al fisico tedesco Hans Geiger, Ernest Rutherford ha creato un contatore elettrico di particelle ionizzate. Migliorato da Geiger, il misuratore è diventato uno strumento universale per misurare la radioattività. Grazie all'abilità del soffiatore di vetro, Rutherford e il suo allievo Thomas Royds identificarono alcune particelle α e eseguirono la loro analisi spettrochimica, dimostrando che erano ioni di elio. Quindi Boltwood visitò il laboratorio dell'Università di Manchester e insieme al fisico neozelandese specificarono il tasso di formazione di elio dal radio, da cui calcolarono il valore esatto Numeri di Avogadro.

Senza lasciare il suo fascino a lungo termine con le particelle alfa, Rutherford studiò la loro piccola dispersione dopo aver interagito con il fioretto. Geiger si unì a lui e ottennero dati più significativi. Nel 1909, quando lo studente universitario Ernest Marsden stava cercando un argomento per il suo progetto di ricerca, Ernest lo invitò a studiare ampi angoli di diffusione. Marsden ha scoperto che un piccolo numero di particelle α deviava di oltre 90 ° dalla loro direzione originale, spingendo Rutherford ad esclamare che è quasi incredibile come se un proiettile da 15 pollici lanciato in un foglio di carta velina si riprendesse e colpisci il tiratore.

Modello atomico

Riflettendo su come una particella carica così pesante possa essere deviata dall'attrazione o dalla repulsione elettrostatica ad un angolo così ampio, nel 1944 Rutherford ha concluso che l'atomo non può essere un corpo solido omogeneo. Secondo lui, consisteva principalmente di spazio vuoto e di un minuscolo nucleo in cui era concentrata tutta la sua massa. Il modello atomico di Rutherford Ernest è confermato da numerose prove sperimentali. Divenne il suo più grande contributo scientifico, ma al di fuori di Manchester ricevette poca attenzione. Nel 1913, tuttavia, il fisico danese Niels Bohr mostrò l'importanza di questa scoperta. Un anno prima, visitò il laboratorio di Rutherford e tornò come membro della facoltà nel 1914-1916. La radioattività, ha spiegato, è nel nucleo, mentre le proprietà chimiche sono determinate dagli elettroni orbitali. Il modello dell'atomo di Bohr diede origine a un nuovo concetto di quanti (o valori di energia discreti) nell'elettrodinamica delle orbite, e spiegò le linee spettrali come il rilascio o l'assorbimento di energia da parte degli elettroni mentre si muovono da un'orbita all'altra. Henry Mosley, un altro dei molti studenti di Rutherford, ha spiegato in modo simile la sequenza dello spettro dei raggi X degli elementi mediante la carica nucleare. Quindi, è stata sviluppata una nuova immagine coerente della fisica dell'atomo.

Sottomarini e reazione nucleare

La prima guerra mondiale ha devastato il laboratorio gestito da Ernest Rutherford. I fatti interessanti della vita di un fisico durante questo periodo riguardano la sua partecipazione allo sviluppo di mezzi per combattere i sottomarini, così come l'appartenenza al Consiglio dell'Ammiragliato per le Invenzioni e la Ricerca Scientifica. Quando ha preso il tempo di tornare al suo precedente lavoro scientifico, ha iniziato a studiare la collisione di particelle alfa con i gas. Nel caso dell'idrogeno, come previsto, il rilevatore ha registrato la formazione di singoli protoni. Ma anche i protoni sorsero quando bombardavano gli atomi di azoto. Nel 1919, Ernest Rutherford scoprì la scoperta con un altro: riuscì a provocare artificialmente una reazione nucleare in un elemento stabile.

Ritorna a Cambridge

Le reazioni nucleari hanno occupato lo scienziato nel corso della sua carriera, che ha avuto luogo nuovamente a Cambridge, dove nel 1919 Thomson è stato il successore come direttore del laboratorio dell'Università Cavendish e divenne Rutherford. Ernest ha portato qui il suo collega all'Università di Manchester - il fisico James Chadwick. Insieme, hanno bombardato le particelle alfa con una serie di elementi leggeri e causato trasformazioni nucleari. Ma non potevano penetrare nei nuclei più pesanti, poiché le particelle α le respingevano a causa della stessa carica, e gli scienziati non potevano determinare se accadesse separatamente o insieme al bersaglio. In entrambi i casi, era necessaria una tecnologia più avanzata.

Energie più elevate negli acceleratori di particelle necessarie per risolvere il primo problema divennero disponibili alla fine degli anni '20. Nel 1932, i due studenti di Rutherford - l'inglese John Cockroft e l'irlandese Ernest Walton - furono i primi a provocare effettivamente una trasformazione nucleare. Usando un acceleratore lineare ad alta tensione, hanno bombardato il litio con i protoni e lo hanno diviso in due particelle α. Per questo lavoro hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1951. Lo scozzese Charles Wilson in Cavendish ha creato una macchina da presa che ha dato la conferma visiva della traiettoria delle particelle cariche, per il quale ha ricevuto lo stesso prestigioso riconoscimento internazionale nel 1927. Nel 1924, il fisico inglese Patrick Blackkett modificò la telecamera Wilson per fotografare circa 400.000 collisioni alfa e scoprirono che la maggior parte di loro erano normali elastici, e 8 erano accompagnati da decadimento, in cui la particella α veniva assorbita dal nucleo bersaglio prima di dividerla in due frammenti. Questo è stato un passo importante nella comprensione delle reazioni nucleari, per le quali Blackett è stato insignito del Premio Nobel per la fisica nel 1948.

Scoperta di neutroni e fusione termonucleare

Cavendish divenne la sede di altri lavori interessanti. L'esistenza del neutrone fu predetta da Rutherford nel 1920. Dopo una lunga ricerca, nel 1932, Chadwick scoprì questa particella neutra, dimostrando che il nucleo era costituito da neutroni e protoni, e il suo collega, il fisico inglese Norman Feder, mostrò ben presto che i neutroni possono causare reazioni nucleari più facilmente delle particelle cariche. Lavorare con un regalo recentemente aperto negli Stati Uniti acqua pesante nel 1934, Rutherford, Mark Oliphant dall'Australia e Paul Hartek dall'Austria condussero bombardamenti di deuterio con deuteroni e condussero la prima fusione termonucleare.

Vita fuori dalla fisica

Lo scienziato aveva diversi hobby che non erano legati alla scienza, tra cui il golf e le corse automobilistiche. Ernest Rutherford, in breve, aderisce alle convinzioni liberali, ma non è politicamente attivo, sebbene sia stato presidente del consiglio di esperti del Dipartimento di ricerca scientifica e industriale del governo ed è stato presidente a vita (dal 1933) del Consiglio di assistenza accademica, creato per aiutare gli scienziati che fuggirono dalla Germania nazista. Nel 1931 divenne un pari, ma questo evento fu oscurato dalla morte di sua figlia, che morì otto giorni prima. Un eminente scienziato morì a Cambridge dopo una breve malattia e fu sepolto nell'Abbazia di Westminster.

Ernest Rutherford: fatti interessanti

• Ha studiato al college di Canterbury University della Nuova Zelanda per una borsa di studio, ha conseguito una laurea e un master e ha anche trascorso due anni a sviluppare i lavori che hanno portato all'invenzione di un nuovo tipo di ricevitore radio.
• Ernest Rutherford era il primo laureato a Cambridge, a cui fu permesso di condurre ricerche al Cavendish Laboratory sotto la direzione di Sir J. J. Thomson.
• Durante la prima guerra mondiale, ha lavorato per risolvere problemi pratici di rilevamento di sottomarini.
• Alla McGill University in Canada, Ernest Rutherford, insieme al chimico Frederick Soddy, ha creato la teoria del decadimento atomico.
• Presso l'Università di Victoria a Manchester, lui e Thomas Royds hanno dimostrato che la radiazione alfa consiste di ioni di elio.
• Le ricerche di Rutherford sul decadimento di elementi e sostanze radioattive gli conferirono il premio Nobel nel 1908.
• Il suo esperimento più famoso Geiger - Marsden, che ha dimostrato la natura nucleare dell'atomo, il fisico condotto dopo aver ricevuto il premio dell'Accademia svedese.
• Il 104 ° elemento chimico prende il nome da lui - rutherford, che nell'URSS e nella Federazione Russa fino al 1997. si chiamava Kurchatoviy.