Ernest Rutherford- Ernest Rutherford

"Lord Rutherford" leitet hierher weiter. Es ist nicht zu verwechseln mit Lord Rutherfurd oder Andrew Rutherford, 1. Earl of Teviot .

Der rechte Ehrenwerte
Der Lord Rutherford von Nelson
OM PRS HonFRSE
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Ernest Rutherford
Präsident der Royal Society
Im Amt
1925–1930
Vorangestellt Sir Charles Scott Sherrington
gefolgt von Sir Frederick Gowland Hopkins
Persönliche Daten
Geboren ( 1871-08-30 )30. August 1871
Brightwater , Kolonie Neuseeland
Ist gestorben 19. Oktober 1937 (1937-10-19)(im Alter von 66 Jahren)
Cambridge , England
Ruheplatz Westminster Abbey
Staatsbürgerschaft Britisches Subjekt , Neuseeland
Residenz Neuseeland, Vereinigtes Königreich
Unterschrift
Alma Mater
Cavendish Laboratory der University of New Zealand , University of Cambridge
Bekannt für
Auszeichnungen
Wissenschaftlicher Werdegang
Felder Physik und Chemie
Institutionen
Akademische Berater
Doktoranden
Andere bemerkenswerte Studenten
Beeinflusst

Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson , OM , FRS , HonFRSE (30. August 1871 – 19. Oktober 1937) war ein in Neuseeland geborener britischer Physiker, der als Vater der Kernphysik bekannt wurde . Die Encyclopædia Britannica hält ihn für den größten Experimentalisten seit Michael Faraday (1791–1867). Er verbrachte auch einen beträchtlichen Teil seiner Karriere im Ausland, sowohl in Kanada als auch im Vereinigten Königreich .

In frühen Arbeiten entdeckte Rutherford das Konzept der radioaktiven Halbwertszeit , das radioaktive Element Radon , und differenzierte und benannte Alpha- und Betastrahlung . Diese Arbeit wurde an der McGill University in Montreal , Quebec, Kanada durchgeführt. Es ist die Grundlage für den Nobelpreis für Chemie, den er 1908 "für seine Untersuchungen zum Zerfall der Elemente und zur Chemie radioaktiver Stoffe" erhielt, für die er als erster ozeanischer Nobelpreisträger und als erster die ausgezeichnete Arbeit in Kanada. 1904 wurde er zum Mitglied der American Philosophical Society gewählt .

Rutherford wechselte 1907 an die Victoria University of Manchester (heute University of Manchester ) in Großbritannien, wo er und Thomas Royds bewiesen, dass Alphastrahlung Heliumkerne sind . Rutherford führte sein berühmtestes Werk auf, nachdem er Nobelpreisträger wurde. Obwohl er 1911 nicht beweisen konnte, dass es positiv oder negativ war, stellte er die Theorie auf, dass die Ladung von Atomen in einem sehr kleinen Kern konzentriert ist , und leistete dadurch Pionierarbeit beim Rutherford-Modell des Atoms durch seine Entdeckung und Interpretation der Rutherford-Streuung am Gold Folienexperiment von Hans Geiger und Ernest Marsden . Die erste künstlich induzierte Kernreaktion führte er 1917 in Experimenten durch, bei denen Stickstoffkerne mit Alphateilchen beschossen wurden. Als Ergebnis entdeckte er die Emission eines subatomaren Teilchens, das er 1919 "Wasserstoffatom" nannte, 1920 aber genauer das Proton nannte .

Rutherford wurde 1919 Direktor des Cavendish Laboratory an der University of Cambridge. Unter seiner Leitung wurde das Neutron 1932 von James Chadwick entdeckt und im selben Jahr wurde das erste Experiment zur vollständig kontrollierten Spaltung des Kerns von Studenten durchgeführt, die unter seine Richtung, John Cockcroft und Ernest Walton . Nach seinem Tod 1937 wurde er in der Westminster Abbey in der Nähe von Sir Isaac Newton beigesetzt . Das chemische Element Rutherfordium (Element 104) wurde 1997 nach ihm benannt.

Biografie

Frühes Leben und Ausbildung

Ernest Rutherford war der Sohn von James Rutherford, einem Farmer, und seiner Frau Martha Thompson, ursprünglich aus Hornchurch , Essex, England. James war aus Perth , Schottland, nach Neuseeland ausgewandert , "um ein wenig Flachs und viele Kinder großzuziehen ". Ernest wurde in Brightwater , in der Nähe von Nelson , Neuseeland geboren. Sein Vorname wurde fälschlicherweise "Earnest" geschrieben, als seine Geburt registriert wurde. Rutherfords Mutter Martha Thompson war Lehrerin.

Rutherford im Jahr 1892, 21 Jahre alt

Er studierte an den Havelock Schule und dann Nelson College und gewann ein Stipendium zum Studium an Canterbury Universität , University of New Zealand , wo er in der teilgenommen Debattierclub und spielte Rugby . Nach seinem BA, MA und BSc und zwei Jahren Forschung, in denen er eine neue Form von Funkempfängern erfand, erhielt Rutherford 1895 ein Forschungsstipendium der Royal Commission for the Exhibition of 1851 , um nach England zu reisen Postgraduiertenstudium am Cavendish Laboratory , University of Cambridge . Er war einer der ersten "Aliens" (diejenigen ohne Cambridge-Abschluss), die unter der Führung von JJ Thomson an der Universität forschen durften, was bei den konservativeren Mitgliedern der Cavendish-Bruderschaft Eifersüchteleien weckte. Mit Thomsons Ermutigung gelang es ihm, Radiowellen in einer Entfernung von einer halben Meile zu erkennen und hielt kurzzeitig den Weltrekord für die Entfernung, über die elektromagnetische Wellen nachgewiesen werden konnten, obwohl er bei der Präsentation seiner Ergebnisse auf dem Treffen der British Association im Jahr 1896 feststellte, dass er es war übertroffen von Guglielmo Marconi , der auch als Dozent tätig war.

1898 empfahl Thomson Rutherford für eine Stelle an der McGill University in Montreal, Kanada. Er sollte Hugh Longbourne Callendar ersetzen , der den Lehrstuhl des Macdonald-Professors für Physik innehatte und nach Cambridge kam. Rutherford wurde angenommen, was bedeutete, dass er 1900 Mary Georgina Newton (1876-1954) heiraten konnte, mit der er sich vor seiner Abreise aus Neuseeland verlobt hatte; sie heirateten in der St. Paul's Anglican Church, Papanui in Christchurch , sie hatten eine Tochter, Eileen Mary (1901–1930), die den Physiker Ralph Fowler heiratete . 1901 erwarb Rutherford einen DSc von der University of New Zealand. 1907 kehrte er nach Großbritannien zurück, um den Lehrstuhl für Physik an der Victoria University of Manchester zu übernehmen .

Spätere Jahre und Ehrungen

Rutherford wurde 1914 zum Ritter geschlagen . Während des Ersten Weltkriegs arbeitete er an einem streng geheimen Projekt, um die praktischen Probleme der U-Boot-Erkennung durch Sonar zu lösen . 1916 wurde ihm die Hector-Gedenkmedaille verliehen . 1919 kehrte er als Nachfolger von JJ Thomson als Cavendish-Professor und Direktor zum Cavendish zurück. Unter ihm wurden James Chadwick für die Entdeckung des Neutrons (1932), John Cockcroft und Ernest Walton für ein Experiment, das als Atomspaltung mit einem Teilchenbeschleuniger bekannt wurde , und Edward Appleton für den Nachweis der Existenz des Ionosphäre . Im Jahr 1925 forderte Rutherford die neuseeländische Regierung auf, Bildung und Forschung zu unterstützen, was im folgenden Jahr zur Bildung des Department of Scientific and Industrial Research (DSIR) führte . Zwischen 1925 und 1930 war er Präsident der Royal Society und später Präsident des Academic Assistance Council, der fast 1.000 Universitätsflüchtlingen aus Deutschland half. Er wurde bei den New Year Honours 1925 in den Order of Merit berufen und 1931 als Baron Rutherford of Nelson in Cambridge in der Grafschaft Cambridge in den Adelsstand erhoben, ein Titel, der nach seinem unerwarteten Tod 1937 erlosch. 1933 Rutherford war einer der beiden ersten Empfänger der TK Sidey Medal , die von der Royal Society of New Zealand als Auszeichnung für herausragende wissenschaftliche Forschungen ins Leben gerufen wurde.

Lord Rutherfords Grab in der Westminster Abbey

Rutherford hatte einige Zeit vor seinem Tod eine kleine Hernie , deren Behebung er versäumt hatte, und sie wurde stranguliert, wodurch er schwer erkrankte. Trotz einer Notoperation in London starb er vier Tage später in Cambridge an einer von Medizinern so genannten "Darmlähmung". Nach der Einäscherung im Golders Green Crematorium wurde ihm die hohe Ehre der Beerdigung in der Westminster Abbey in der Nähe von Isaac Newton und anderen berühmten britischen Wissenschaftlern zuteil .

Wissenschaftliche Forschung

Ernest Rutherford an der McGill University im Jahr 1905

In Cambridge begann Rutherford mit JJ Thomson über die leitenden Wirkungen von Röntgenstrahlen auf Gase zu arbeiten, was zur Entdeckung des Elektrons führte, das Thomson 1897 der Welt präsentierte. Als er von Becquerels Erfahrungen mit Uran hörte , begann Rutherford um seine Radioaktivität zu erforschen und dabei zwei Typen zu entdecken, die sich in ihrer Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen unterschieden. Er setzte seine Forschungen in Kanada fort und prägte 1899 die Begriffe Alpha- und Beta- Strahlung , um die beiden unterschiedlichen Strahlungsarten zu beschreiben . Dann entdeckte er, dass Thorium ein Gas abgab, das eine Emanation erzeugte, die selbst radioaktiv war und andere Substanzen umhüllen würde. Er fand heraus, dass eine Probe dieses radioaktiven Materials jeder Größe ausnahmslos die gleiche Zeit benötigte, bis die Hälfte der Probe zerfiel – ihre „ Halbwertszeit “ (in diesem Fall 11½ Minuten).

Von 1900 bis 1903 schloss sich ihm bei McGill der junge Chemiker Frederick Soddy ( Nobelpreis für Chemie , 1921) an, dem er das Problem stellte, die Thorium-Emanationen zu identifizieren. Nachdem er alle normalen chemischen Reaktionen eliminiert hatte, schlug Soddy vor, dass es sich um eines der inerten Gase handeln muss, die sie Thoron nannten (später stellte sich heraus, dass es sich um ein Isotop von Radon handelte ). Sie fanden auch eine andere Art von Thorium, die sie Thorium X nannten, und fanden immer wieder Spuren von Helium. Sie arbeiteten auch mit Proben von "Uranium X" von William Crookes und Radium von Marie Curie .

1903 veröffentlichten sie ihr "Gesetz des radioaktiven Wandels", um all ihre Experimente zu erklären. Bis dahin galten Atome als die unzerstörbare Grundlage aller Materie, und obwohl Curie vermutet hatte, dass Radioaktivität ein atomares Phänomen sei, war die Idee, dass Atome radioaktiver Substanzen zerbrechen, eine radikal neue Idee. Rutherford und Soddy zeigten, dass Radioaktivität den spontanen Zerfall von Atomen in andere, noch nicht identifizierte Materie beinhaltet. Der Nobelpreis für Chemie wurde 1908 an Ernest Rutherford "für seine Untersuchungen zum Zerfall der Elemente und zur Chemie radioaktiver Stoffe" verliehen.

Im Jahr 1903 betrachtete Rutherford eine vom französischen Chemiker Paul Villard im Jahr 1900 entdeckte (aber nicht benannte) Strahlungsart als Emission von Radium und erkannte, dass diese Beobachtung aufgrund ihrer sehr viel größere Durchschlagskraft. Rutherford gab dieser dritten Strahlungsart daher den Namen Gammastrahlung . Alle drei von Rutherfords Begriffen sind heute gebräuchlich – andere Arten des radioaktiven Zerfalls wurden inzwischen entdeckt, aber die drei Arten von Rutherford gehören zu den häufigsten.

Im Jahr 1904 schlug Rutherford vor, dass Radioaktivität eine Energiequelle darstellt, die ausreicht, um die Existenz der Sonne für die vielen Millionen Jahre zu erklären, die für die langsame biologische Evolution auf der Erde erforderlich sind, die von Biologen wie Charles Darwin vorgeschlagen wurde . Der Physiker Lord Kelvin hatte zuvor aufgrund der Unzulänglichkeit bekannter Energiequellen für eine viel jüngere Erde (siehe auch William Thomson, 1st Baron Kelvin#Age of the Earth: Geology ) argumentiert , doch Rutherford wies in einem von Kelvin besuchten Vortrag darauf hin, dass Radioaktivität könnte dieses Problem lösen.

In Manchester arbeitete er weiter mit Alphastrahlung. Zusammen mit Hans Geiger entwickelte er Zinksulfid- Szintillationsschirme und Ionisationskammern zum Zählen von Alphas. Indem er die Gesamtladung, die sie produzierten, durch die gezählte Zahl teilte, entschied Rutherford, dass die Ladung des Alphas zwei betrug. Ende 1907 erlaubten Ernest Rutherford und Thomas Royds Alphas, durch ein sehr dünnes Fenster in eine evakuierte Röhre einzudringen. Als sie die Röhre zur Entladung entzündeten , änderte sich das daraus erhaltene Spektrum, da sich die Alphas in der Röhre ansammelten. Schließlich erschien das klare Spektrum von Heliumgas, das beweist, dass Alphas zumindest ionisierte Heliumatome und wahrscheinlich Heliumkerne waren.

Mindestens 1948, mindestens bis 2017, existierte ein langjähriger Mythos, dass Rutherford als erster Wissenschaftler eine künstliche Umwandlung eines stabilen Elements in ein anderes Element beobachtet und berichtet hat : Stickstoff in Sauerstoff. Es wurde von vielen Leuten als eine der größten Errungenschaften von Rutherford angesehen. Die neuseeländische Regierung gab sogar eine Gedenkmarke heraus, da sie glaubte, dass die Entdeckung von Stickstoff zu Sauerstoff Rutherford gehörte. Ab 2017 korrigierten viele wissenschaftliche Institutionen ihre Versionen dieser Geschichte, um darauf hinzuweisen, dass die Entdeckung der Reaktion auf Patrick Blackett zurückzuführen ist . Rutherford entdeckte das ausgestoßene Proton 1919 und interpretierte es als Beweis für den Zerfall des Stickstoffkerns (zu leichteren Kernen). 1925 zeigte Blackett, dass das eigentliche Produkt Sauerstoff ist und identifizierte die wahre Reaktion als 14 N + α → 17 O + p. Rutherford erkannte daher, "dass die Masse des Kerns aufgrund von Kollisionen, bei denen das Proton ausgestoßen wird, eher zunehmen als abnehmen kann".

Goldfolien-Experiment

Oben: Erwartete Ergebnisse: Alphateilchen passieren das Plumpudding-Modell des Atoms ungestört.
Unten: Beobachtete Ergebnisse: Ein kleiner Teil der Partikel wurde abgelenkt, was auf eine kleine, konzentrierte Ladung hindeutet . Diagramm ist nicht maßstabsgetreu; in Wirklichkeit ist der Kern wesentlich kleiner als die Elektronenhülle.

Rutherford führte seine berühmteste Arbeit durch, nachdem er 1908 den Nobelpreis erhalten hatte. Zusammen mit Hans Geiger und Ernest Marsden führte er 1909 das Geiger-Marsden-Experiment durch , das die nukleare Natur von Atomen demonstrierte, indem er Alphateilchen durch eine dünne Goldfolie ablenkte . Rutherford wurde inspiriert, Geiger und Marsden in diesem Experiment zu bitten, nach Alphateilchen mit sehr großen Ablenkwinkeln zu suchen, die zu dieser Zeit von keiner Materietheorie erwartet wurden. Solche Ablenkungen wurden, obwohl selten, gefunden und erwiesen sich als eine glatte, aber höherwertige Funktion des Ablenkungswinkels. Es war Rutherfords Interpretation dieser Daten, die ihn 1911 dazu veranlasste, das Rutherford-Modell des Atoms zu formulieren – dass ein sehr kleiner geladener Kern , der einen Großteil der Masse des Atoms enthält, von massearmen Elektronen umkreist wird .

In den Jahren 1919-1920 fand Rutherford heraus, dass Stickstoff und andere leichte Elemente ein Proton ausstoßen, das er "Wasserstoffatom" nannte, wenn sie mit α-Teilchen (Alpha-Teilchen) getroffen wurden. Dieses Ergebnis zeigte Rutherford, dass Wasserstoffkerne ein Teil von Stickstoffkernen waren (und infolgedessen wahrscheinlich auch andere Kerne). Eine solche Konstruktion wurde seit vielen Jahren aufgrund von Atomgewichten vermutet, die ganze Zahlen des Wasserstoffs waren; siehe Prouts Hypothese . Wasserstoff war bekanntlich das leichteste Element und seine Kerne vermutlich die leichtesten Kerne. Aufgrund all dieser Überlegungen entschied Rutherford nun, dass ein Wasserstoffkern möglicherweise ein grundlegender Baustein aller Kerne und möglicherweise auch ein neues fundamentales Teilchen ist, da von dem leichteren Kern nichts bekannt war. So bestätigte und erweiterte Rutherford die Arbeit von Wilhelm Wien, der 1898 das Proton in Strömen ionisierten Gases entdeckte , und postulierte 1920 den Wasserstoffkern als neues Teilchen, das er Proton nannte .

Im Jahr 1921, während er mit Niels Bohr (der postulierte, dass sich Elektronen in bestimmten Bahnen bewegten) zusammenarbeitete, theoretisierte Rutherford die Existenz von Neutronen (die er in seiner Bakerian Lecture von 1920 getauft hatte ), die die abstoßende Wirkung des Positiven irgendwie kompensieren könnten Ladungen von Protonen, indem sie eine anziehende Kernkraft verursachen und so die Kerne daran hindern, abseits der Abstoßung zwischen den Protonen zu fliegen. Die einzige Alternative zu Neutronen war die Existenz von "Kernelektronen", die einem Teil der Protonenladungen im Kern entgegenwirken würden, da inzwischen bekannt war, dass Kerne etwa die doppelte Masse haben, die erklärt werden könnte, wenn sie einfach aus Wasserstoff zusammengesetzt würden Kerne (Protonen). Aber wie diese Kernelektronen im Kern gefangen werden konnten, war ein Rätsel.

Rutherford wird in Bezug auf die Ergebnisse dieser Experimente oft mit den Worten zitiert: "Es war das unglaublichste Ereignis, das mir je in meinem Leben passiert ist. Es war fast so unglaublich, als würde man eine 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier und es kam zurück und traf dich."

Rutherfords Neutronentheorie wurde 1932 von seinem Mitarbeiter James Chadwick bewiesen , der Neutronen sofort erkannte, als sie von anderen Wissenschaftlern und später von ihm selbst erzeugt wurden, als er Beryllium mit Alphateilchen beschoss. Für diese Entdeckung erhielt Chadwick 1935 den Nobelpreis für Physik.

Erbe

Eine Gedenktafel zum Gedenken an Rutherfords Anwesenheit an der University of Manchester

Rutherford gilt als einer der größten Wissenschaftler der Geschichte. Bei der Eröffnungssitzung des indischen Wissenschaftskongresses 1938, dessen Vorsitz Rutherford vor seinem Tod erwartet hatte, sprach der Astrophysiker James Jeans an seiner Stelle und bezeichnete ihn als „einen der größten Wissenschaftler aller Zeiten“ und sagte:

In seinem Gespür für die richtige Herangehensweise an ein Problem sowie in der einfachen Direktheit seiner Angriffsmethoden erinnert [Rutherford] oft an Faraday, aber er hatte zwei große Vorteile, die Faraday nicht besaß: erstens überschwänglich körperliche Gesundheit und Energie und zweitens die Möglichkeit und Fähigkeit, eine Gruppe begeisterter Mitarbeiter zu leiten. Obwohl Faradays Arbeitsleistung großartig war, scheint es mir, dass wir, um Rutherfords Arbeit sowohl in der Quantität als auch in der Qualität zu erreichen, nach Newton zurückkehren müssen. In mancher Hinsicht hatte er mehr Glück als Newton. Rutherford war immer der glückliche Krieger – glücklich in seiner Arbeit, glücklich im Ergebnis und glücklich in seinen menschlichen Kontakten.

Kernphysik

Stickstoffplasma

Rutherfords Forschungen und die Arbeit unter ihm als Laborleiter begründeten die Kernstruktur des Atoms und die wesentliche Natur des radioaktiven Zerfalls als Kernprozess. Patrick Blackett , ein wissenschaftlicher Mitarbeiter von Rutherford, der mit natürlichen Alpha-Partikeln die induzierte Kerntransmutation demonstrierte . Rutherfords Team demonstrierte später mit Protonen aus einem Beschleuniger künstlich induzierte Kernreaktionen und Transmutationen. Er gilt als Vater der Kernphysik. Rutherford starb zu früh, um Leó Szilárds Idee kontrollierter nuklearer Kettenreaktionen zu verwirklichen. Eine Rede von Rutherford über seine künstlich induzierte Transmutation in Lithium, die am 12. September 1933 in der Londoner Zeitung The Times gedruckt wurde , wurde von Szilárd jedoch als Inspiration für das Nachdenken über die Möglichkeit einer kontrollierten energieerzeugenden nuklearen Kettenreaktion beschrieben . Szilard hatte diese Idee, als er am selben Tag in London spazieren ging.

Rutherfords Rede berührte die Arbeit seiner Studenten John Cockcroft und Ernest Walton aus dem Jahr 1932 über die "Aufspaltung" von Lithium in Alphateilchen durch Beschuss mit Protonen aus einem von ihnen konstruierten Teilchenbeschleuniger. Rutherford erkannte, dass die von den aufgespaltenen Lithiumatomen freigesetzte Energie enorm war, aber er erkannte auch, dass die für den Beschleuniger benötigte Energie und seine wesentliche Ineffizienz bei der Aufspaltung von Atomen auf diese Weise das Projekt als praktische Energiequelle unmöglich machten (Beschleuniger -induzierte Spaltung leichter Elemente ist auch heute noch zu ineffizient, um auf diese Weise genutzt zu werden). Rutherfords Rede auszugsweise lautete:

Wir könnten bei diesen Prozessen sehr viel mehr Energie gewinnen als das zugeführte Proton, aber im Durchschnitt könnten wir nicht erwarten, auf diese Weise Energie zu gewinnen. Es war eine sehr schlechte und ineffiziente Art der Energiegewinnung, und jeder, der in der Umwandlung der Atome nach einer Kraftquelle suchte, redete von Mondschein. Aber das Thema war wissenschaftlich interessant, weil es Einblicke in die Atome gab.

Gegenstände, die zu Ehren von Rutherfords Leben und Werk benannt sind

Eine Statue eines jungen Ernest Rutherford an seinem Denkmal in Brightwater, Neuseeland .
Wissenschaftliche Entdeckungen
Institutionen
Auszeichnungen
Gebäude
Straßen
Sonstiges

  • Ein russisches Porto mit Streudiagramm

Veröffentlichungen

  • Radioaktivität (1904), [56] 2. Aufl. (1905), ISBN  978-1-60355-058-1
  • Radioaktive Transformationen (1906) , ISBN  978-1-60355-054-3
  • Radioaktive Stoffe und ihre Strahlungen (1913)
  • Die elektrische Struktur der Materie (1926)
  • Die künstliche Transmutation der Elemente (1933)
  • Die neuere Alchemie (1937)

Artikel

Waffen

Wappen von Ernest Rutherford
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Anmerkungen
Das Wappen von Ernest Rutherford besteht aus:
Kamm
Die Krone eines Barons. Auf einem von den Farben bekränzten Helm, eine richtige Kiwi.
Wappen
Per Saltire wölbten sich Gules und Or, zwei der ersten im Fess entleerte Schilde, in jedem ein Martlet Sable.
Unterstützer
Dexter, Hermes Trismegistos (mythologischer Wissenspatron und Alchemisten). Unheimlich, ein Māori-Krieger.
Motto
Primordia Quaerere Rerum ("Die ersten Prinzipien der Dinge suchen.")

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links

Peerage des Vereinigten Königreichs
Neue Kreation Baron Rutherford von Nelson
1931–1937 		Ausgestorben
Akademische Ämter
Vorangestellt
 Langworthy Professor
an der University of Manchester
1907–19 		gefolgt von