Ernest Rutherford, Nelson bárója (Brightwater, 1871. augusztus 30. – Cambridge 1937. október 19.) új-zélandi születésű brit fizikus, az atomfizika egyik megalapítója, a róla elnevezett atommodell kidolgozója. A radioaktív sugárzáson belüli alfa- és béta-sugárzás felfedezéséért 1908-ban kémiai Nobel-díjat kapott.

Tanulmányai

Új-Zéland Déli-szigetén született egy 12 gyermekes család negyedik gyermekeként. Apja, James Rutherford, Skóciából kivándorolt földművesiparos – Werner Braunbek: Az atommag regénye. Gondolat Kiadó, Budapest, 1960, 9. old. volt, anyja Martha Thompson Angliából kivándorolt tanítónő. A család hamarosan átköltözött a szomszédos Foxhillbe, és a fiú ott járt általános iskolába. Az állami iskola elvégzése után a lehetséges 600 pontból 580-at szerezve ösztöndíjat nyert a Nelson Collegiate School magániskolába, ahol majdnem minden tárgyban kitűnt eredményeivel, de leginkább (tíz éves kora óta) a fizika érdekelte. 1890-ben ösztöndíjat nyert a fővárosi Canterbury College-ba, a mai új-zélandi Canterbury Egyetem elődjébe. 19 évesen beleszeretett szállásadónőjének lányába, Mary Newtonba. A B.A. fokozat megszerzése után egy újabb ösztöndíjjal 1893-ban fejezte be az M.A. képzést úgy, hogy évfolyamelső lett matematikából és fizikából.

Doktori értekezését arról írta hogyan mágneseződik a vas nagy frekvenciájú elektromágneses hullámok hatására. Abban az időben ugyanis a tudósok — köztük maga Hertz is — egyetértettek abban, hogy a Hertz-oszcillátorral gerjesztett nagy frekvenciájú váltóáram nem teszi mágnesessé a vasat. Rutherford azonban az egyetem egy nyirkos alagsori helyiségében megépítette a saját oszcillátorát, és egy szellemes kísérlettel bizonyította, hogy a közfelfogás téves. Emellett felismerte, hogy a megfelelő antennával felfogott és huzaltekercsbe vezetett rádióhullámokkal nagy frekvenciás áramokat lehet kelteni egy köteg mágnesezett tűben — eközben a tűk kissé demagnetizálódtak. Dolgozatával a fizikai mellett a matematikai doktorátust is kiérdemelte,Tamaskóné Balla Gizella: Rutherford, Sir Ernest. In: Vészi Ferencné (szerk.): Nobel-díjasok kislexikona. Gondolat, Budapest, 1974. pp. 505–507. felfedezéseinek jutalmául pedig úgynevezett 1851-es világkiállítási ösztöndíjat kapott a Cambridge-i Egyetemre, ahová 1895-ben utazott el, hogy a Cavendish Laboratóriumban kutathasson.Richard Rhodes, 1986: Az atombomba története. Park Könyvkiadó, Budapest, 2013. p. 45. Anglia leghíresebb fizikai kutató laboratóriumát ekkor a későbbi Nobel-díjas Joseph John Thomson vezette. Elutazása előtt eljegyezte Mary Newtont, és megígérte neki, hogy amint helyzete Angliában stabilizálódik, feleségül veszi.

Pályája, felfedezései

bélyegkép|balra|170px|A 21 éves Rutherford

Mire megérkezett Cambridge-be, már szerkesztett egy újfajta, érzékeny detektort, amivel messziről ki lehetett mutatni a rádióhullámokat — gyakorlatilag ez volt ez első vevőkészülék, néhány hónappal Guglielmo Marconi találmánya előtt. Sikeresen létesített rádiókapcsolatot a laboratórium és az attól három kilométerre lévő csillagvizsgáló között. Eredményeit az azokat nagy elismeréssel értékelő J.J. Thomson ajánlására 1896. június 18-i ülésén ismertette. Ez lett harmadik publikációja: Az elektromos hullámok mágneses detektálása és annak néhány alkalmazása (A magnetic detector of electrical waves and some of its applications).Richard Rhodes, 1986: Az atombomba története. Park Könyvkiadó, Budapest, 2013. p. 46.

Eközben két fontos esemény keltette fel számos fizikus figyelmét, egyrészt 1895-ben nem egészen két hónappal Rutherford Cavendish-be érkezése után Wilhelm Conrad Röntgen felfedezte a később róla elnevezett sugárzást; utána 1896-ban Henri Becquerel pedig azt, hogy az urán vegyületei maguktól, minden beavatkozás nélkül ugyancsak meglehetősen átható sugárzást bocsátanak ki.

Az alfa- és béta-sugárzás

Ernest Rutherford azonnal felismerte mindkét felfedezés jelentőségét, és a laboratórium fő kutatási témájává a röntgen- és az „uránsugárzás”, azaz a radioaktivitás vizsgálatát tette.

1898-ban kezdett ezekkel a témákkal foglalkozni. Az urán (valamint a tórium) sugárzásában sikerült is elkülönítenie két típust, amelyeket alfa-, illetve béta-sugárzásnak nevezett el. (Amikor a francia Paul Villard 1900-ban felfedezte a radioaktivitás egy harmadik típusú sugárzását, annak Rutherford nevezéktanát megtartva a gamma-sugárzás nevet adta.) Bár szakmailag szép sikereket ért el, egzisztenciális okokból (szeretett volna megnősülni) úgy döntött, hogy elhagyja a laboratóriumot, mert ott nem látott lehetőséget az előrelépésre.

Pályázaton elnyerte a tanszékvezető professzor állását a kanadai Montréal McGill Egyetemén (ahol egy kanadai dohánynagykereskedő adományából korszerű fizikai laboratóriumot építettek és új professzori állásokat hoztak létre). „A McGill Egyetemnek jó híre van, ötszáz font nem túl rossz, és a fizika laboratórium a maga nemében a világ legjobbja, úgyhogy nincs okom panaszra” — írta anyjának.

1898 végétől Montréalban folytatta kísérleteit, majd ott hozta nyilvánosságra azok eredményeit. Tanítványaival számos jelentős felfedezést értek el. Egyik munkatársa, Robert Bowie Owens felfedezte a „tórium-emanációnak” elnevezett gázt, ami később a radon 220-as izotópjának (220Rn) bizonyult — a felfedezést 1900-ban hozták nyilvánosságra. Ez volt az első olyan radioaktív anyag, aminek sugárzása az abban az időben meglévő műszerekkel is érzékelhetően csökkent. Rutherford 1900-ban kimutatta, hogy a csökkenés exponenciális, és jellemzésére bevezette a felezési idő fogalmát. 1900–1901-ben (nagyjából akkor, amikor Pierre Curie is) Robert Kenning McClunggal végzett ionizációs kísérletei alapján kiszámította a rádium által kibocsátott alfa-sugárzás energiáját.

Közben hazautazott Új-Zélandra, hogy feleségül vegye Mary Newtont. Egyetlen lányuk, Eileen 1901-ben született.

Montréalba visszatérve kezdett együttműködni Frederick Soddy kémikussal. Megállapították, hogy a „tórium-emanáció” nem közvetlenül a tóriumból keletkezik, hanem egy köztes termékből, amit átmenetileg „tórium-X-nek” neveztek el. Megállapították, hogy a tórium, a „tórium-emanáció” és a „tórium-X” (ami a rádium volt) három különböző kémiai elem (a tórium bomlási sorának további tagjait Rutherford egyik tanítványa, Otto Hahn fedezte fel – a radiotórium munkanevűt még Montréalban, a többit Németországba visszaköltözése után).

1902-ben Frederick Soddyval közösen publikálta a londoni Philosophical Magazine ban a radioaktív bomlás elméletét, (bár az annak forradalmi újszerűségétől megrettent kollégái az egyetem tekintélyét féltve megpróbálták megakadályozni annak megjelentetését). Bizonyították, hogy a radioaktív elemek a bomlás hatására más elemekké alakulnak, és ha azok is radioaktívak, bomlásuk eredménye ismét egy új elem lesz — és ezek az elemek ún. radioaktív bomlási sorok tagjaiként követik egymást. A radioaktív elemek más elemekké átalakulásának kimutatása valósággal lázba hozta a tudományos közvéleményt, egyszer s mindenkorra megalapozva Rutherford hírnevét.

bélyegkép|250px|Rutherford a laboratóriumban (1905)

Tovább tanulmányozta az alfa-sugárzást; sikerült a sugarakat elektromos és mágneses térrel is eltérítenie. kimutatta, hogy a béta-sugárzás „a katódsugarakhoz minden tekintetben nagyon hasonló”.Richard Rhodes, 1986: Az atombomba története. Park Könyvkiadó, Budapest, 2013. p. 52. Megmérte az alfa-részecskék sebességét ( km/s), és azt tömegükhöz képest elképesztően nagynak találta. Az elektromos töltéseket mérve elsőként becsülte meg a rádiumból másodpercenként kirepülő részecskék számát (amire kb. 100 milliárdot kapott, a helyes érték 36,8 milliárd). Megsejtette, hogy az alfa-részecskék valójában hélium-atommagok. 1903-ban Soddyval kimutatta, hogy a rádiumból folyamatosan hélium keletkezik (feltételezését 1908-ban sikerült véglegesen igazolnia). Ugyancsak 1903-ban (Pierre Curie-vel párhuzamosan) Howard Barnes-szal kimutatta, hogy a radioaktivitás által termelt hő a kibocsátott alfa-részecskék számával arányos – ebből logikusan adódott a következtetés, hogy a hőt az alfa-részecskék keltik, amikor nekiütköznek más atomoknak.

1904-ben valószínűsítette, hogy a radioaktív hőtermelés lehet az oka annak, hogy a Föld nem hűlt ki a lord Kelvin számításaival megállapított idő alatt. Ugyancsak 1904-ben jelent meg első, addigi eredményeit összefoglaló könyve, a Radioaktivitás. Vendégprofesszorként előadott egyebek közt a New Haven-i egyetemen és a Berkeley Egyetemen. 1903 és 1907 között ötször kínáltak föl neki tanszéket különböző amerikai egyetemeken, de egyiket sem fogadta el. Montréali évei alatt – egyedül, illetve társszerzőkkel – mintegy 50 tudományos dolgozatot publikált.

1905-ben érkezett Montréalba az akkor 26 éves Otto Hahn, hogy Rutherford segítségével tisztázza, mi is tulajdonképpen az általa nem sokkal korábban felfedezett „radiotórium” (ami a rádium egyik izotópjának bizonyult). Közös munkájuk eredményeként felismerték, hogy a tóriumból, a rádiumból és az aktíniumból kilépő részecskék jottányit sem különböznek egymástól. Ezt a munkát folytatva ismerte fel Rutherford 1908-ban, hogy az alfa-részecskék valójában elektromosan töltött hélium-atomok (azaz hélium-ionok). Hahn addigra már (1906-ban) visszautazott Németországba.

1906-ban kezdte behatóan tanulmányozni az atom belső felépítését. Azt ugyanis már 1903-ban sikerült bebizonyítania az különböző anyagokat katódsugarakkal (tehát elektronokkal) bombázó Lénárd Fülöpnek, hogy a Thomson-féle atommodell téves; az atom térfogatának elsöprő többsége üres tér — Lénárd szemléletes hasonlatával: egy köbméter tömör platina által elfoglalt tér voltaképp ugyanolyan üres, mint a csillagközi térség. Rutherford úgy döntött, hogy ő a céltárgyakat nem béta-, hanem alfa-sugarakkal (nem elektronokkal, hanem hélium-atommagokkal, bár ezt akkor még nem tudták) fogja besugározni. A részecskéket szűk résen átbocsátva elég vékony sugarat kapott, és annak nyomát fényérzékeny papíron rögzítette. Amikor a sugár útjába 0,003 mm vastag muszkovitlemezt illesztett, a kép elmosódott, amiből Rutherford rendkívül helyesen arra következtetett, hogy az alfa-részecskék a csillámon áthaladva szóródnak. A szóródás szöge a 2 fokot is elérhette; ez egy ekkora impulzusú részecskénél igen jelentős érték volt. Rutherford számításai szerint százmillió V/cm térerejű elektromos térben szóródnának annyira az alfa-sugarak, mint 1 cm vastag csillámban. „Az ilyen eredmények világosan mutatják, hogy az anyag atomjaiban rendkívüli elektromos erőknek kell lakozniuk” — állapította meg, és eldöntötte, hogy később behatóan tanulmányozza a problémát.Richard Rhodes, 1986: Az atombomba története. Park Könyvkiadó, Budapest, 2013. p. 57.

1907-ben meghívták a Manchesteri Egyetem (Victoria University of Manchester) Langworthy-professzorának, mivel a tisztséget addig viselő Arthur Schuster optikus nyugdíjba vonult. Ezt a meghívást elfogadta, és tavasszal családostól végleg Angliába költözött. Itteni munkájában nagy segítségére volt Schustertől örökölt asszisztense, a fiatal német Hans Geiger, aki később a róla elnevezett Geiger–Müller-számláló egyik feltalálójaként írta be nevét a fizika történetébe. A detektor első változatát, ami már alkalmas volt arra, hogy akár egyetlen alfa-részecske becsapódását is kimutassa, Geiger már Manchesterben megépítette.

Az atommag felfedezése

170px|bélyegkép|A szóródásos kísérlet várható eredménye Thomson, illetve Rutherford atommodellje szerint