Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger

Ernest Rutherford (1871-1937)

Efter opdagelsen af røntgenstrålerne i 1895, radioaktiviteten i 1896 og påvisningen af elektronen i 1897 opstod nye fundamentale spørgsmål om stoffets og de forskellige stråletypers natur. Svaret på disse spørgsmål krævede udviklingen af nye forsøgsanordninger, men også dristige teoretiske ideer og beregninger.

Fysikeren Ernest Rutherford bidrog med både nye grundlæggende forsøg og med teorier baseret på disse. Han opstillede teorier for de radioaktive processer, og i 1911 formulerede han en model for atomet. I denne model består atomet af en central positiv elektrisk kerne, hvoromkring de negativt elektrisk ladede elektroner bevæger sig. Det meste af atomets masse er knyttet til atomets kerne. Rutherfords atom-model dannede sammen med Max Plancks kvantefysik fra år 1900 grundlaget for Niels Bohrs kvante-atom fra 1913.

I det følgende lidt om Ernest Rutherford og hans opdagelser.

Elektronen og 'Rosinbolle'-modellen
I 1897 påviste englænderen Joseph John Thomson (1856-1940), at et atom består af mindre 'portioner af stof' i form af elektroner. Ved forsøg med katodestråler og studier af elektriske udladninger i fortyndede gasser opdagede Thomson elektronen. Massen af en elektron fandt han til at være omkring 1850 gange mindre end massen af det letteste kendte atom hydrogen. Til elektronen er knyttet den mindst kendte negative elektriske ladning. Da stof i almindelighed ikke udviser elektriske egenskaber, dvs. er elektrisk neutralt, så må det også have positiv elektricitet knyttet til sig. Efter elektronens opdagelse var spørgsmålet: Hvor befinder den positive elektricitet sig? Thomson opstillede en model for atomet, hvor elektronerne svinger i et jævnt fordelt medium, der er positivt elektrisk. På dansk er modellen kaldt 'rosinbolle'-modellen, hvor 'rosinerne' svarer til elektronerne og 'bolledejen' til det positivt elektriske medium.

Thomsons atommodel

Ernest Rutherford - kernefysikkens grundlægger
Ernest Rutherford blev født den 30. august 1871 i Spring Grove (nu Brigthwater) i provinsen Nelson i New Zealand. Han var barn nummer fire ud af en søskendeflok på tolv. Hans far James Rutherford var født i Skotland, og han kom i 1843, som 4-årig, sammen med sine forældre til New Zealand. Moderen Martha, født Thompson, kom til New Zealand fra England i 1855, da hun var 13 år gammel.

(1877-86): Ernest går på Foxhill School fra 1877 til 1883 og derefter på Havelock School fra 1883 til 1886. Som 10-årig får Ernest sin første bog om videnskab. Han inspireres til at måle hastigheden af lydudbredelse og beregne afstanden til et lyn.

1887: Rutherford vinder et Scholarship til Nelson College, der svarer til et dansk gymnasium.

1889: Rutherford bliver student fra Nelson College med udmærkelse. Han får ikke kun udmærkelse i matematik, fysik og kemi, men også i fagene latin, fransk, engelsk litteratur og historie.

(1890-94): Rutherford studerer på Canterbury College i Christchurch, hvor han afslutter sin eksamen med udmærkelse.

1895: I september rejser Rutherford til England, hvor han har fået et toårigt forskningsstipedium på Cavendish Laboratory ved Cambridge University. Hans vejleder bliver J.J. Thomson, der er leder af Cavendish Laboratory.

Rutherford fysikprofessor i Canada fra 1898 til 1907
Efter udløbet af Rutherfords forskningsstipendium ved Cavendish Laboratory anbefaler Thomson Rutherford til et professorat i fysik ved McGill University i Montreal i Canada. Rutherford skal lede et nyt fysiklaboratorium, som er skænket af tobaksmillionæren Sir William Macdonald (1831-1917). Rutherford tager imod stillingen, som han beholder indtil 1907.

1899: I januar publicerer Rutherford en artikel i tidsskriftet "Philosophical Magazine". Heri redegør han for sin opdagelse af to typer stråling fra radioaktive stoffer. Han betegner dem alfa-stråling og beta-stråling.

1900: Rutherford rejser hjem til New Zealand for at blive gift med sin forlovede Mary Georgina Newton, der er datter af Arthur og Mary de Renzy Newton.

1900: Målinger udført af den canadiske ingeniør Robert Bowie Owens viste, at der fra det radioaktive grundstof Thorium dannedes en radioaktiv gas. Rutherford kaldte den ukendte gas for 'Emanation' (af lat: 'udstrømning'). Siden viste det sig at være et radioaktivt grundstof, der fik navnet Radon.

1901: Ægteparret Ernest og Mary Rutherford får en datter, der navngives Eileen. Ægteparret fik kun dette ene barn, der døde i en alder af kun 29 år.

1902: Rutherford og den engelske kemiker Frederick Soddy (1877-1956) opstiller en 'transformations-teori' for radioaktive stoffer. Teorien indførte muligheden for en grundstofændring, således at et radioaktivt grundstof kunne omdannes til et andet grundstof med helt andre kemiske egenskaber.
Teorien om grundstofomdannelser omstyrtede den ældgamle tro på 'elementernes uforanderlighed'. Atomerne er ikke udelelige!

Alfa-proces. En alfa-partikel udsendes fra en radiumkerne, som derved omdannes til en radonkerne.

1904: Rutherford udgiver en bog med titlen 'Radioactivity'. Samme år modtager han Rumford-medaljen, der er opkaldt efter Lord Rumford (Benjamin Thomson (1753-1814)), der i 1778 undersøgte varmeudviklingen i et stof når det udsættes for et gnidningsarbejde.

1904: Ved at måle indholdet af uran, radium og helium i et klippestykke beregnede Rutherford dets alder til at være mindst 700 millioner år. At Jordens klippeformationer mindst var så gamle, væltede de teorier om Solens energiproduktion, som tyskeren Hermann von Helmholtz (1821-1894) og englænderen Lord Kelvin (William Thomson) (1824-1907) havde udviklet i 1860'erne. Ifølge disse teorier kunne Solen kun producere lys i omkring 100 millioner år, idet energikilden var omdannelse af tyngdepotentiel energi, som følge af sammentrækning af stofpartikler. Det siges, at Kelvin ved det møde, hvor Rutherford fremlagde sine resultater, blev så skuffet, at han forlod mødet uden at sige et ord.

1904: Den japanske fysiker Hantaro Nagaoka (1865-1950) postulerer en saturn-lignende atommodel, hvor atomets positive elektriske ladning er koncentreret i centret af atomet. De negativt elektrisk ladede elektroner bevæger sig omkring denne centrale kerne.

1906: Rutherford udgiver bogen "Radioactive Transformations".

Rutherford i Manchester 1907 til 1919
I 1907 vendte Rutherford tilbage til England, hvor han efterfulgte Sir Athur Schuster (1851-1934) som leder af Fysiklaboratoriet ved Universitetet i Manchester.

Spredning af alfa-partikler på guldatomer. Opdagelsen af atomets kerne
I Manchester fik Rutherford tyskeren Johannes Wilhelm Geiger (1882-1945) som medarbejder. Sammen med Geiger udførte Rutherford nogle meget grundlæggende forsøg med de alfa-partikler, der udsendes fra et radioaktivt stof. Alfa-partiklerne blev brugt som 'projektiler' og 'skudt' mod et meget tyndt lag guld - et guldfolio. Forsøgene skulle vise, hvordan alfa-partikler blev afbøjet når de trængte igennem guldfoliet. Udfaldet af forsøgene var meget overraskende. Det viste sig, at nogle af alfa-partiklerne blev afbøjet aldeles meget, ja nogle blev endog 'kastet' bagud. Disse eksperimentelle observationer kunne man ikke forstå på grundlag af den atom-model som J.J.Thomson havde opstillet og udviklet efter sin opdagelse af elektronen. Ifølge Thomsons 'rosinbolle'-model skulle elektronerne svinge i et jævnt fordelt medium af positiv elektricitet. Rutherfords og Geigers forsøg var ikke i overensstemmelse med det, man skulle forvente efter Thomsons atom-model. Tværtimod tydede forsøgene på, at nogle af alfa-partiklerne, der hver især har en masse næsten 2000 gange større end massen af en elektron, havde ramt noget 'tungt' og positivt elektrisk, som er afgrænset i et meget lille område.

Til registrering af de positivt elektrisk ladede alfa-partikler udviklede Geiger et apparatur. Påvisningen af alfa-partikler foregik ved, at de ved sammenstød med en plade med zinksulfid forårsagede små lysglimt. Disse lysglimt, 'scintillationer', der var fordelt i forskellige retninger, kunne iagttages i mørke og gennem et mikroskop. Antallet af lysglimt i de forskellige retninger var et mål for antallet af alfa-partikler, der var afbøjet.

Geiger opfandt i 1913 et apparat, kaldet Geiger-tælleren, der kan påvise strålingen fra radioaktive stoffer. I 1928 blev apparatet i samarbejde med W. Müller forbedret, og herefter kaldt en Geiger- Müller-tæller.

Figur der viser princippet i forsøgene med spredning af alfa-partikler på et guldfolio. Registreringen foregår her med en film.

1908: Rutherford får Nobelprisen i kemi for sine undersøgelser af radioaktive grundstoffer og deres omdannelser til andre grundstoffer.

1909: Dette år udfører Rutherford et forsøg, der viser, at alfa-partikler er identiske med helium- atomer der mangler to elektroner. Flere forskere havde bemærket, at der i nærheden af radioaktive stoffer også var luftarten helium. Rutherford lod alfa-partikler trænge ind i en lufttom beholder. Ved spektralanalyse kunne Rutherford påvise, at der efter nogen tid var helium i beholderen.

1909: Den New Zealandske fysiker Ernest Marsden (1889-1970) kommer til Manchester for at studere. Sammen med Geiger fortsætter han spredningsforsøgene med alfapartikler.

Rutherfords atom-model 1911
På grundlag af forsøgene med spredning af alfapartikler på metalfolier opstillede Rutherford i 1911 en model af et atom. I denne model er det meste af massen og den positive elektricitet koncentreret i atomets såkaldte kerne. Omkring denne centrale kerne bevæger elektronerne sig.
For det letteste og mindste atom, hydrogen, er kernens udstrækning omkring hundrede tusinde gange mindre end udstrækningen på omkring 10^-10 meter af den bane som elektronen bevæger sig i. Modellen beskrev Rutherford i maj-nummeret af "Philosophical Magazine". Artiklens titel var: "The scattering of alpha and beta Particles by Matter and the Structure of the Atom". Rutherfords model minder om den atom-model som japaneren Hantaro Nagaoka opstillede i 1904.

Rutherfords atommodel

1912: I begyndelsen af april ankom Niels Bohr (1885-1962) til Manchester, hvor han studerede hos Rutherford indtil juli måned. Bohrs kvante-model af atomet fra 1913 er en videreudvikling af Rutherfords 'planet-model'. Rutherford interesserede sig mest for atomkernernes struktur og deres reaktionsforhold. Bohr blev interesseret i, hvordan elektronerne bevægede sig og var fordelt omkring kernen, og hvordan deres energiforandringer kunne føre til udsendelse af lys med ganske bestemte farver svarende til bestemte bølgelængder.
Fra 1914 til 1916 havde Bohr en stilling som docent ved Rutherfords laboratorium.

1913: Rutherford udgiver afhandlingen "Radioactive Substances and their radiation".

1914: Rutherford fremkommer med ideen om en positiv elektrisk ladet kerne-partikel, som han giver navnet proton, efter det græske ord 'prõtos', der betyder 'den første'. Protonen var den først opdagede kerne-partikel.

1914: Rutherford bliver adlet, så han nu kan kalde sig Sir.

(1915-17): Rutherford er med til at udvikle akustiske metoder til påvisning af ubåde, som benyttes i 1. Verdenskrig.

Første kernereaktion. Eksperimentel påvisning af protonen i 1919
I 1919 udførte Rutherford et forsøg med alfa-partikler, der blev udsendt fra et radioaktivt stof. Forsøget skulle vise sig at blive den første kunstige kerne-reaktion. Ved at beskyde nitrogen med alfa-partikler viste kemiske analyser, at der blev dannet oxygen og hydrogen. Forsøget påviste også eksistensen af protonen, som Rutherford havde forudsagt eksistensen af. Protonen er den positivt ladede kerne-partikel i det simpleste og letteste atom hydrogen (brint).

De processer der foregik i Rutherfords kernereaktion har siden vist sig at være følgende: En alfa-partikel, der består af to protoner og to neutroner, trænger ind i en nitrogenkerne, der består af syv protoner og syv neutroner. Herved dannes en meget ustabil kerne af fluor, bestående af ni protoner og ni neutroner. I løbet af uhyre kort tid frigør fluorkernen en proton, der udsendes med stor fart. Den resterende kerne er en oxygenkerne, der består af otte protoner og ni neutroner, der holdes sammen af de såkaldte stærke kernekræfter.

Rutherford leder af Cavendish Laboratory fra 1919 I 1919 blev Rutherford direktør for Cavendish Laboratory ved Cambridge University. Han efterfulgte J.J.Thomson.

1920: Rutherford forudsiger eksistensen af en elektrisk neutral partikel, der skal findes i atomets kerne. Partiklen blev påvist i 1932 af Rutherfords medarbejder James Chadwick (1891-1974) og den får navnet neutron.

1922: Rutherford modtager Copley-Medaljen.

(1925-30): Rutherford er Præsident for the Royal Society i London.

1925: Rutherford foretager en rejse til Australien og New Zealand for at holde foredrag og besøge sine aldrende forældre.

1928: Rutherfords far dør.

1930: Datteren Eileen dør af en blodprop 29 år gammel, kort tid efter at hun har født sit fjerde barn. Eileen var gift med Ralph Fowler, der var matematisk fysiker ved Cavendish Laboratory.

1931: Tildeles ærestitlen Baron Rutherford of Nelson.

1932: Rutherfords medarbejdere John Douglas Cockcroft (1897-1967) og Ernest Thomas Simon Walton (1903-1995) udfører de første kunstige kerneomdannelser ved hjælp af protoner der accelereres op til meget store hastigheder for derefter at blive skudt ind i forskellige atomkerner. De beskudte kerner bliver ustabile og omdannes til forskellige andre kernetyper. Protonerne, der blev benyttet som 'projektiler', blev accelereret op ved hjælp af en elektrisk spændingsforskel på op til 700.000 volt. Cockcroft og Walton udviklede acceleratorer, der kunne accelerere elektrisk ladede partikler op til store hastigheder. For deres forskning delte de i 1951 Nobelprisen i fysik.

1934: Sammen med Mark Oliphant (1901-2000) opdager Rutherford isotoperne hydrogen-3 og helium-3.

1935: Rutherfords mor dør.

Alkymisternes drøm – opfyldes af Rutherford
Ernest Rutherford døde den 19. oktober 1937. Hans aske blev nedlagt i Westminster Abbey, samme sted som andre af nationens store personligheder ligger begravet, bl.a. Isaac Newton. Rutherfords hustru vendte hjem til New Zealand, hvor hun døde i 1954.

Samme år som Rutherford døde, udgav han en afhandling med titlen "The Newer Alchemy" ("Den Nyere Alkymi"). I bogen redegøres der for de gamle alkymisters drøm om at finde 'de vises sten' og en metode til at fremstille guld af uædle metaller.
'De vises sten' blev opdaget af Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger.

Louis Nielsen, december 2003