ارنست رادرفورد، به طور کامل ارنست، بارون رادرفورد از نلسون، (زاده 30 اوت 1871، اسپرینگ گروو، نیوزیلند – درگذشت 19 اکتبر 1937، کمبریج، کمبریج شایر، انگلستان)، فیزیکدان بریتانیایی متولد نیوزیلند که بزرگترین تجربی پس از مایکل به حساب می آید. فارادی (1791-1867). برای مطالعه کامل مقاله با مجله علمی آندرومدامگ همراه باشید.
رادرفورد شخصیت اصلی در مطالعه رادیواکتیویته بود و با مفهوم اتم هسته ای او اکتشاف فیزیک هسته ای را رهبری کرد. او برنده جایزه نوبل شیمی در سال 1908، رئیس انجمن سلطنتی (1925-1930) و انجمن بریتانیا برای پیشرفت علم (1923) بود، در سال 1925 نشان شایستگی را دریافت کرد، و به عنوان رتبه اول لرد رادرفورد نلسون در سال 1931 را از آن خودش کرد.
سنین جوانی و تحصیل
پدر رادرفورد، جیمز رادرفورد، در اواسط قرن نوزدهم در کودکی از اسکاتلند به نیوزیلند نقل مکان کرد و در آن جامعه کشاورزی که به تازگی توسط اروپایی‌ها ساکن شده بود، کشاورزی می‌کرد. مادر رادرفورد، مارتا تامپسون، از انگلستان آمد، همچنین در جوانی، و قبل از ازدواج و بزرگ کردن دوازده فرزند، که ارنست فرزند چهارم و پسر دوم آنها بود، به عنوان معلم مدرسه کار کرد.
ارنست رادرفورد تا سال 1886 در مدارس دولتی رایگان شرکت کرد، زمانی که برای تحصیل در مدرسه کالج نلسون، یک مدرسه متوسطه خصوصی، بورسیه تحصیلی گرفت. او تقریباً در هر موضوعی، به ویژه در ریاضیات و علوم، سرآمد بود.
بورس تحصیلی دیگری رادرفورد را در سال 1890 به کالج کانتربری در کرایست چرچ، یکی از چهار پردیس دانشگاه نیوزلند برد. مدرسه کوچکی بود با هشت هیئت علمی و کمتر از 300 دانش آموز. رادرفورد خوش شانس بود که استادان عالی داشت، که در او شیفتگی برای تحقیقات علمی را برانگیختند که نیاز به اثبات محکم را خنثی کرد.
در پایان دوره سه ساله مدرسه، رادرفورد مدرک لیسانس هنر (B.A.) گرفت و بورسیه تحصیلی برای یک سال تحصیلات تکمیلی در کانتربری دریافت کرد. او این کار را در پایان سال 1893 تکمیل کرد و مدرک کارشناسی ارشد هنر (M.A.) را با افتخارات درجه یک در علوم فیزیکی، ریاضیات و فیزیک ریاضی به دست آورد. او تشویق شد تا یک سال دیگر برای انجام تحقیقات مستقل در کرایست چرچ بماند. تحقیقات رادرفورد در مورد توانایی تخلیه الکتریکی با فرکانس بالا، مانند تخلیه الکتریکی از خازن، برای مغناطیسی کردن آهن، او را در پایان سال 1894 مدرک لیسانس علوم (B.S.) دریافت کرد. در این دوره او عاشق مری نیوتن شد. دختر زنی که در خانه اش سوار شد. آنها در سال 1900 ازدواج کردند.
رادرفورد در سال 1895 بورسیه ای را که با سود نمایشگاه بزرگ معروف 1851 در لندن ایجاد شده بود، برد. او ادامه تحصیل در آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج را انتخاب کرد که جی. تامسون، متخصص برجسته اروپا در زمینه تشعشعات الکترومغناطیسی، در سال 1884 مسئولیت را بر عهده گرفت.
دانشگاه کمبریج
با توجه به اهمیت روزافزون علم، دانشگاه کمبریج اخیراً قوانین خود را تغییر داده است تا به فارغ التحصیلان سایر موسسات اجازه دهد پس از دو سال تحصیل و تکمیل یک پروژه تحقیقاتی قابل قبول، مدرک کمبریج کسب کنند. رادرفورد اولین دانشجوی پژوهشی مدرسه شد. رادرفورد علاوه بر نشان دادن اینکه تخلیه نوسانی آهن را مغناطیسی می‌کند، مشخص کرد که یک سوزن مغناطیسی بخشی از مغناطیسی خود را در میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان متناوب از دست می‌دهد. این سوزن را به آشکارساز امواج الکترومغناطیسی تبدیل کرد، پدیده ای که به تازگی کشف شده بود. در سال 1864 فیزیکدان اسکاتلندی جیمز کلرک ماکسول وجود چنین امواجی را پیش بینی کرده بود و بین سالهای 1885 و 1889 فیزیکدان آلمانی هاینریش هرتز آنها را در آزمایشاتی در آزمایشگاه خود تشخیص داد. دستگاه رادرفورد برای تشخیص امواج الکترومغناطیسی یا امواج رادیویی ساده‌تر بود و پتانسیل تجاری داشت. او سال بعد را در آزمایشگاه کاوندیش گذراند و برد و حساسیت دستگاه خود را افزایش داد که می‌توانست سیگنال‌ها را از فاصله نیم مایلی دریافت کند. با این حال، رادرفورد فاقد بینش بین قاره ای و مهارت های کارآفرینی مخترع ایتالیایی گوگلیلمو مارکونی بود که تلگراف بی سیم را در سال 1896 اختراع کرد.
اشعه ایکس تنها چند ماه پس از ورود رادرفورد به کاوندیش توسط فیزیکدان ویلهلم کنراد رونتگن در آلمان کشف شد. اشعه ایکس به دلیل توانایی آنها در گرفتن عکس های سیلوئت از استخوان های یک دست زنده، برای دانشمندان و افراد عادی جذاب بود. به طور خاص، دانشمندان آرزو داشتند خواص و ویژگی های آنها را بیاموزند. رادرفورد نمی‌توانست دعوت تامسون را برای همکاری در تحقیق در مورد نحوه تغییر رسانایی گازها توسط اشعه ایکس رد کند. این یک مقاله کلاسیک در مورد یونیزاسیون – شکستن اتم‌ها یا مولکول‌ها به بخش‌های مثبت و منفی (یون‌ها) – و جذب ذرات باردار به الکترودهایی با قطب مخالف به دست آمد.
سپس تامسون نسبت بار به جرم رایج‌ترین یون را که بعداً الکترون نامیده شد، مطالعه کرد، در حالی که رادرفورد به دنبال تشعشعات دیگری بود که یون‌ها را تولید می‌کردند. رادرفورد ابتدا به تشعشعات فرابنفش و سپس به تشعشعات ساطع شده از اورانیوم پرداخت. (تابش اورانیوم برای اولین بار در سال 1896 توسط هانری بکرل فیزیکدان فرانسوی شناسایی شد.) قرار دادن اورانیوم در نزدیکی ورقه های نازک به رادرفورد نشان داد که تشعشع پیچیده تر از آن چیزی است که قبلاً تصور می شد: یک نوع به راحتی توسط یک ورقه بسیار نازک جذب یا مسدود می شد، اما نوع دیگر به راحتی جذب می شد. نوع اغلب به همان فویل های نازک نفوذ می کند. او این نوع تشعشعات را به ترتیب آلفا و بتا برای سادگی نامید. (بعدها مشخص شد که ذره آلفا همان هسته یک اتم معمولی هلیوم است – متشکل از دو پروتون و دو نوترون – و ذره بتا همان الکترون یا نسخه مثبت آن، پوزیترون است.) چندین سال بعد، این تشعشعات مورد توجه اولیه بودند. بعداً عناصر رادیواکتیو یا عناصر رادیواکتیو که تشعشع می کردند، بیشترین توجه علمی را به خود جلب کردند.
دانشگاه مک گیل
توانایی پژوهشی رادرفورد باعث شد تا او در دانشگاه مک گیل، مونترال، که یکی از مجهزترین آزمایشگاه‌های نیمکره غربی را در اختیار داشت، به مقام استادی برسد. او و یکی از همکارانش با معطوف کردن توجه خود به یکی دیگر از معدود عناصری که در آن زمان به عنوان رادیواکتیو شناخته می شدند، دریافتند که توریم یک محصول گازی رادیواکتیو منتشر می کند که او آن را “نشست” نامید. این به نوبه خود یک رسوب فعال جامد را به جا گذاشت که به زودی به توریم A، B، C و غیره تبدیل شد. عجیب است که پس از عملیات شیمیایی، برخی از عناصر رادیواکتیویته رادیواکتیویته خود را از دست دادند اما در نهایت آن را دوباره به دست آوردند، در حالی که مواد دیگر، در ابتدا قوی، به تدریج فعالیت خود را از دست دادند. این منجر به مفهوم نیمه عمر شد – در اصطلاح مدرن، فاصله زمانی لازم برای تجزیه نیمی از هسته های اتمی یک نمونه رادیواکتیو – که از ثانیه تا میلیاردها سال متغیر است و برای هر عنصر رادیویی منحصر به فرد است و بنابراین. یک برچسب شناسایی عالی
رادرفورد نیاز خود را به کمک شیمیایی متخصص با افزایش تعداد عناصر رادیویی تشخیص داد. متوالی، او مهارت های فردریک سودی، تظاهرکننده در مک گیل را به خود جلب کرد. برترام بوردن بولتوود، استاد دانشگاه ییل؛ و اتو هان، محقق فوق دکتری از آلمان. رادرفورد در سال 1902-1903 با سودی، نظریه تبدیل یا تئوری تجزیه را به عنوان توضیحی برای رادیواکتیویته – بزرگترین دستاورد او در مک گیل – توسعه داد. کیمیاگری و نظریه‌های آن در مورد عناصر تبدیل‌کننده – مانند سرب به طلا – مدت‌هاست که از شیمی به اصطلاح مدرن حذف شده بود. اتم ها به عنوان اجسام پایدار در نظر گرفته می شدند. اما رادرفورد و سودی اکنون ادعا کردند که انرژی رادیواکتیویته از درون اتم می آید و گسیل خود به خودی یک ذره آلفا یا بتا نشان دهنده تغییر شیمیایی از یک عنصر به عنصر دیگر است. آنها انتظار داشتند که این نظریه شمایل شکن بحث برانگیز باشد، اما شواهد تجربی بسیار زیاد آنها مخالفت را فرو نشاند.
طولی نکشید که مشخص شد که عناصر رادیویی به سه خانواده یا سری های فروپاشی تقسیم می شوند که در راس آنها اورانیوم، توریم و اکتینیم قرار دارند و همه به سرب غیرفعال ختم می شوند. بولتوود رادیوم را در سری اورانیوم قرار داد و به دنبال پیشنهاد رادرفورد، از مقدار کم رشد سرب در یک کانی استفاده کرد تا نشان دهد که سن سنگ های قدیمی در محدوده میلیارد سال است. رادرفورد ذره آلفا را به دلیل داشتن جرم محسوس کلید دگرگونی ها می دانست. او تشخیص داد که حامل بار مثبت است، اما نمی‌توانست تشخیص دهد که یون هیدروژن است یا هلیوم.
زمانی که رادرفورد در مک گیل بود، با معشوقش از نیوزلند ازدواج کرد و به شهرت رسید. او از تعداد فزاینده ای از دانشجویان پژوهشگر در آزمایشگاه خود استقبال کرد، از جمله زنان در زمانی که تعداد کمی از زنان به تحصیل علم می پرداختند. او به عنوان سخنران و نویسنده مقالات مجلات مورد تقاضا بود. او همچنین کتاب درسی برجسته آن دوره را در مورد رادیواکتیویته، رادیواکتیویته (1904) نوشت. مدال ها و مشارکت در انجمن سلطنتی لندن به دست او رسید. به ناچار پیشنهادهای کاری هم آمد.
دانشگاه منچستر
آمریکای شمالی جامعه علمی خوبی داشت، اما مرکز جهانی فیزیک در اروپا بود. هنگامی که در سال 1907 به رادرفورد کرسی در دانشگاه منچستر پیشنهاد شد، که آزمایشگاه فیزیک آن در انگلستان تنها توسط آزمایشگاه کاوندیش تامسون برتری یافت، او آن را پذیرفت. یک سال بعد کار او در مونترال با جایزه نوبل شیمی تجلیل شد. رادرفورد اندکی پس از برنده شدن جایزه نوبل، مدخلی در مورد رادیواکتیویته برای ویرایش یازدهم (1910) دایره المعارف بریتانیکا نوشت.
رادرفورد با فیزیکدان آلمانی هانس گایگر یک شمارنده الکتریکی برای ذرات یونیزه ساخت. هنگامی که توسط گایگر کامل شد، شمارنده گایگر به ابزاری جهانی برای اندازه‌گیری رادیواکتیویته تبدیل شد. رادرفورد و شاگردش توماس رویدز به لطف مهارت شیشه‌گر آزمایشگاه توانستند برخی از ذرات آلفا را جدا کرده و یک تجزیه و تحلیل طیف‌شیمیایی انجام دهند و ثابت کنند که این ذرات یون‌های هلیم هستند. بولتوود سپس از آزمایشگاه رادرفورد بازدید کرد و با هم نرخ تولید هلیوم توسط رادیوم را مجدداً تعیین کردند که از آن مقدار دقیق عدد آووگادرو را محاسبه کردند.
رادرفورد در ادامه علاقه دیرینه خود به ذره آلفا، پراکندگی جزئی آن را هنگام برخورد با یک فویل مورد مطالعه قرار داد. گایگر به او ملحق شد و آنها داده های کمی بیشتری به دست آوردند. در سال 1909، زمانی که یک دانشجوی کارشناسی، ارنست مارسدن، به یک پروژه تحقیقاتی نیاز داشت، رادرفورد به او پیشنهاد کرد که به دنبال پراکندگی با زاویه بزرگ باشد. مارسدن دریافت که تعداد کمی از آلفاها بیش از 90 درجه از جهت اصلی خود چرخیده اند، که باعث شد رادرفورد (با تزئینات در طول سالها) فریاد بزند: “تقریباً به همان اندازه باورنکردنی بود که شما یک پوسته 15 اینچی را به سمت یک قطعه شلیک کنید. دستمال کاغذی برگشت و به تو برخورد کرد.»
رادرفورد در سال 1911 با اندیشیدن به اینکه چگونه ذره ای سنگین و باردار مانند آلفا را می توان با جاذبه یا دافعه الکترواستاتیکی در چنین زاویه بزرگی چرخاند، تصور کرد که اتم نمی تواند یک جامد یکنواخت باشد، بلکه بیشتر از فضای خالی تشکیل شده است و جرم آن متمرکز است. در یک هسته کوچک این بینش (مدل اتمی رادرفورد)، همراه با شواهد تجربی پشتیبان او، بزرگترین مشارکت علمی رادرفورد بود، اما توجه کمی فراتر از منچستر به آن جلب شد. اما در سال 1913 نیلز بور فیزیکدان دانمارکی اهمیت آن را نشان داد. بور سال قبل از آزمایشگاه رادرفورد بازدید کرده بود و به عنوان عضو هیئت علمی برای دوره 16-1914 بازگشت. او توضیح داد که رادیواکتیویته در هسته نهفته است، در حالی که خواص شیمیایی به دلیل الکترون های مداری است. نظریه او (مدل اتمی بور) مفهوم جدید کوانتوم ها (یا مقادیر انرژی گسسته خاص) را در الکترودینامیک مدارها ایجاد کرد و خطوط طیفی را به عنوان آزاد شدن یا جذب انرژی توسط الکترون ها در حین پرش از مداری به مدار دیگر توضیح داد. هنری موزلی، یکی دیگر از بسیاری از شاگردان رادرفورد، به طور مشابه توالی طیف اشعه ایکس عناصر را به دلیل بار روی هسته توضیح داد. بنابراین، یک تصویر منسجم جدید از فیزیک اتمی، و همچنین زمینه فیزیک هسته ای، ایجاد شد.
جنگ جهانی اول عملاً آزمایشگاه رادرفورد را خالی کرد و او خود درگیر تحقیقات ضد زیردریایی بود. او همچنین عضو هیئت اختراع و تحقیقات دریاسالاری بود. رادرفورد زمانی که فرصت بازگشت به علایق تحقیقاتی قبلی خود را پیدا کرد، برخورد ذرات آلفا با گازها را بررسی کرد. همانطور که انتظار می‌رفت، با هیدروژن، هسته‌ها (پروتون‌های منفرد) به سمت آشکارساز هدایت شدند. اما در کمال تعجب، پروتون ها نیز هنگام برخورد آلفاها با نیتروژن ظاهر شدند. رادرفورد در سال 1919 سومین کشف بزرگ خود را توضیح داد: او به طور مصنوعی یک واکنش هسته ای را در یک عنصر پایدار برانگیخت.
بازگشت به کمبریج ارنست رادرفورد
چنین واکنش‌های هسته‌ای رادرفورد تا پایان دوران حرفه‌ای خود را به خود مشغول کرد، که در دانشگاه کمبریج سپری شد، جایی که او در سال 1919 جانشین تامسون به عنوان مدیر آزمایشگاه کاوندیش شد. رادرفورد فیزیکدان جیمز چادویک، همکارش از منچستر را به کاوندیش آورد. آنها با هم تعدادی از عناصر سبک را با آلفا بمباران کردند و دگرگونی هایی را ایجاد کردند. اما آنها نمی‌توانستند به هسته‌های عناصر سنگین‌تر نفوذ کنند، زیرا آلفاها توسط بارهای متقابلشان دفع می‌شدند، و همچنین نمی‌توانستند تعیین کنند که آیا آلفا پس از برخورد منعکس می‌شود یا با هسته هدف ترکیب می‌شود. در هر دو مورد به فناوری پیشرفته تری نیاز بود.
برای اولی، انرژی های بالاتر تولید شده در شتاب دهنده های ذرات در اواخر دهه 1920 در دسترس قرار گرفت. در سال 1932 دو تن از شاگردان رادرفورد، جان دی. کوککرافت از انگلستان و ارنست تی. والتون از ایرلند، اولین کسانی بودند که واقعاً باعث تحول هسته ای شدند. آنها با شتاب دهنده خطی ولتاژ بالا خود، لیتیوم را با پروتون بمباران کردند و باعث شدند که به دو ذره آلفا تقسیم شود. (این زوج جایزه نوبل فیزیک 1951 را برای این کار به اشتراک گذاشتند.) در مورد اینکه واقعاً در یک برخورد چه اتفاقی افتاد، فیزیکدان اسکاتلندی چارلز تی. آر. ویلسون در کاوندیش اتاق ابری را توسعه داده بود که شواهد بصری ردیابی ذرات باردار را ارائه می کرد و به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک در سال 1927 به او اعطا شد. در سال 1924 فیزیکدان انگلیسی پاتریک M.S. بلکت دستگاه محفظه ابر را برای عکاسی از حدود 400000 برخورد آلفا تغییر داد و متوجه شد که بیشتر آنها برخوردهای الاستیک معمولی بودند، در حالی که هشت مورد از هم گسیختگی هایی را نشان دادند که در آن آلفا قبل از اینکه هسته به دو قطعه پاره شود، در هسته هدف جذب شد. این گام مهمی در درک واکنش های هسته ای بود که به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک در سال 1948 به او اعطا شد.
کاوندیش خانه کارهای هیجان انگیز دیگری بود. وجود نوترون در سخنرانی رادرفورد در سال 1920 پیش‌بینی شده بود. پس از جستجوی طولانی، چادویک این ذره خنثی را در سال 1932 کشف کرد که نشان می‌دهد هسته از نوترون‌ها و پروتون‌ها تشکیل شده است، در حالی که یکی از همکارانش، فیزیکدان انگلیسی، نورمن فیر، به زودی نشان داد که نوترون ها می توانند واکنش های هسته ای را راحت تر از ذرات باردار ایجاد کنند. چارلز دی. الیس، فیزیکدان دیگری که در آزمایشگاه کاوندیش کار می کرد، به طیف پرتوهای بتا و گاما نگاه کرد که به دانش ساختار هسته ای افزود. در سال 1934، رادرفورد، فیزیکدان استرالیایی، مارک اولیفانت، و شیمیدان فیزیک آلمانی، پل هارتک، با هدیه مقداری از آب سنگین تازه کشف شده از ایالات متحده، دوتریوم را با دوترون بمباران کردند و در اولین واکنش همجوشی تریتیوم تولید کردند.
رادرفورد علایق کمی خارج از علم داشت، در درجه اول گلف و اتومبیلرانی. او از نظر سیاسی لیبرال بود، اما از نظر سیاسی فعال نبود، اگرچه ریاست شورای مشورتی اداره تحقیقات علمی و صنعتی دولت را بر عهده داشت و (از سال 1933 تا زمان مرگش) رئیس شورای کمک علمی (و سازمان جانشین آن، انجمن انجمن ها) بود. حفاظت از علم و یادگیری)، سازمانی طراحی شده برای کمک به دانشمندانی که از آلمان نازی گریخته بودند. در سال 1931 او را به یک همسال تبدیل کردند، اما هر گونه رضایتی که ممکن بود این افتخار به ارمغان بیاورد با مرگ دخترش تنها هشت روز قبل از آن خدشه دار شد. او پس از یک بیماری کوتاه در کمبریج درگذشت و در کلیسای وست مینستر به خاک سپرده شد.