Ернест Рутхерфорд

Ернест Рутхерфорд
Рођење	(1871-08-30)30. 8. 1871. Бригхтwатер, Нови Зеланд
Смрт	19. 10. 1937. (доб: 66) Цамбридге, Енглеска
Пребивалиште	Нови Зеланд, УК, Канада
Држављанство	Уједињено Краљевство
Етницитет	Британац
Институција	МцГилл Университy Университy оф Манцхестер
Алма матер	Университy оф Цантербурy Цамбридге Университy
Истакнути студенти	Алеxандер МацАулаy Ернест Wалтон Роберт Wиллиам Боyле Цецил Поwелл Назир Ахмед
Познат по	Отац нуклеарне физике Рутхерфордов модел Рутхерфордово распршивање Рутхерфордова спектроскопија распршивања откриће протона Рутхерфорд (јединица) сковао израз 'умјетна дезинтеграција'

Ернест Рутхерфорд (Нелсон, Нови Зеланд, 30. коловоза 1871. - Цамбридге, 19. листопада 1937.), британски кемичар и физичар.

Био је професор на факултету у Монтреалу; прочелник одјела за физику Свеучилишта у Манцхестеру (од 1907.), а од 1919. директор Цавендисхева лабораторија у Цамбридгеу. Године 1903. изабран за члана (1925.-1930. за предсједника) Краљевског друштва. Нобелову награду за кемију добио 1908. године. Испрва се бавио проучавањем радиоактивних распада. Први је уочио да се зрачење радија састоји од двију врста зрака, које је назвао алфа-зраке (α честица) и бета-зраке (β честица) те гама-зрачење (γ честица). Заједно са Фредерицком Соддyем увео је појам времена полураспада и формулирао законе радиоактивног распада. Проучавањем распршивања алфа-честица на атомима Рутхерфорд је дошао до закључка да атом чија је величина 10^-8 цм није компактан дјелић материје, него сложен од позитивне језгре (величине 10^-12 цм) и електрона који круже око ње. Рутхерфорд је први употријебио ријеч протон за позитивно наелектризирану честицу у језгри атома.

Од њега потјече и формула (названа његовим именом) за распршивање алфа-честица на атомима; касније (1925. године), Рутхерфорд је утврдио и одступање од те формуле до којег долази код врло блиских судара алфа-честице и језгре, кад нуклеарно међудјеловање постаје много важније од електричног. ^[1]

Године 1919. Рутхерфорд је, бомбардирајући душик алфа-честицама извео прву претворбу (трансмутацију) једног елемента у други. При процесу је настао кисик, тако је извршена прва нуклеарна реакција.

Рутхерфордови родитељи су били фармери, који су емигрирали из Шкотске на Нови Зеланд, да би лакше подигли пуно дјеце, које су имали. Ернест је завршио електротехничку школу, а касније је путовао у Велику Британију, да би се усавршио у мјерењу и откривању електромагнетских валова. Био је професор на Универзитету Монтрéал; прочелник одјела за физику Свеучилишта у Манцхестеру (од 1907.), а од 1919. директор Цавендисхева лабораторија у Цамбридгеу. 1900. се оженио и имао је једну кћер. ^[2]

Почетком 20. стољећа било је познато 5 радиоактивних елемената: ураниј, ториј, полониј, актиниј и радиј. Међу њима највише се употребљавао радиј и то за лијечење рака. Из радија и његових кемијских спојева стално се развијао један плин, који је исто био радиоактиван, а назван је радијева еманација или радон. Осим радона настајао је и хелиј. Из тога се закључило да се радиј, али и сви остали радиоактивни елементи, претварају у друге елементе с мањом тежином и при том поступку зраче. Уочено је такођер да је та природна радиоактивност својствена атомима с највећим атомским масама и да је то процес који се дешава у унутрашњости атома, значи не овиси о вањским утјецајима, као што су тлак, температура или нека кемијска реакција.

Већ 1900. било је познато да један дио радиоактивног зрачења може да скреће у магнетском пољу. Рутхерфорд је на основу испитивања пролаза радиоактивних зрака кроз танке листиће алуминија утврдио да код зрачења уранијевих спојева постоје двије врсте зрака. Ону врсту зрака које не могу да прођу кроз алуминијску плочицу дебљине 0,02 мм назвао је алфа-честицама, а ону врсту која је пролазила и кроз дебље слојеве назвао је бета-честицама. Исте године француски знанственик Паул Виллард је открио и трећу врсту радиоактивног зрачења, за коју се утврдило да има велику продорну моћ и да не скреће у магнетском пољу, а назване су гама-честицама. На основу скретања у магнетском пољу, утврдено је да алфа-честице имају позитивни електрични набој, а бета-честице негативан електрични набој.

1908. су Рутхерфорд и Ханс Геигер мјерењем утврдили да алфа-честице имају двоструки електрични набој, а да им је маса једнака четверострукој маси атома водика. Када алфа-честица привуче два електрона, она прелази у атом хелија. Из тога је Рутхерфорд закључио да су алфа-честице уствари иони хелија или само атомска језгра хелија. За бета-честице се утврдило да се у магнетном и електричном пољу понашају исто као и катодне зраке или електрони. То значи да су бета-честице уствари електрони великих брзина, али за разлику од електрона у електронском омотачу атома, настају из атомске језгре.

За гама-честице је утврђено да одговарају тврдим рендгенским зракама. То су доказали Рутхерфорд и Е. Н. да Цоста Андраде 1914., огибом или дифракцијом гама-честица кроз одговарајућу кристалну решетку, помоћу које су успијели и одредити и њихову валну дуљину. Према досадашњим мјерењима утврђено је да су валне дуљине гама-честица између 0,000466 нм и 0,0428 нм. Према томе, гама-честице одговарају кратковалном рендгенском зрачењу, али за разлику од рендгенског зрачења настају у атомској језгри.

Никако се у то вријеме није могло објаснити одакле тако велика енергија којом зраче радиоактивне твари. На основу чињенице да се атоми радиоактивних твари доиста распадају и прелазе у атоме других елемената мање тежине, тј. да се трансмутирају, Рутхерфорд и Фредерицк Соддy поставили су 1903. теорију радиоактивног распадања. Према њој атоми радиоактивних елемената нису стабилни, него се спонтано распадају (дезинтегрирају или трансмутирају), уз зрачење радиоактивних честица (алфа-честица, бета-честица или гама-честица), при чему прелазе у атоме других елемената.

Теорија радиоактивног распадања је врло значајна, јер према њој произлази да су атоми дјељиви и да могу прелазити у атоме других кемијских елемената. Посто је прелажење једног кемијског елемента могуће само ако се промјена догађа у атомском језгру, можемо закључити да је радиоактивност у ствари распадање језгре атома неких кемијских елемената. Промјена стања атомске језгре код радиоактивних елемената се назива нуклеарна реакција. ^[3]

Према закону помицања атоми радиоактивних елемената који емитирају алфа-честице прелазе у атоме, чија је атомска маса мања за 4 атомске јединице, а атомски број мањи за 2, тј. прелазе у атоме елемената, који у периодном суставу заузимају положај помјерен за два мјеста улијево, а атоми који емитирају бета-честице прелазе у атоме, који уз исту атомску масу повећавају свој атомски број за 1, тј. прелазе у атоме елемената, који у периодном суставу заузимају положај помјерен за једно мјесто удесно.

1904. је Рутхерфорд увидио да вријеме, у току којег се распадне половина почетне количине неког радиоактивног елемента, може послужити као податак о брзини његовог распадања, па је зато величину тог времена увео као својствену константу, која се назива вријеме полураспада. ^[4]

1899. Бецqуерел је запазио још једно својство радиоактивног зрачења и то да изазивају луминисценцију код многих кемијских твари, као што су на примјер цинков сулфид (ЗнС), баријев платиноцијанид (Ба[Пт(ЦН)₄]x4 Х₂О) и дијамант. Запажено је помоћу микроскопа да се луминисцентно свјетлуцање цинковог сулфида, изазвано алфа-честицама, састоји из великог броја појединачних бљескова свјетлости. Зато што ово краткотрајно свјетлуцање има сличан изглед свјетлуцању искри, названо је сцинтилација (лат. сцинтилла значи искра). Пошто свака алфа-честица својим ударом о луминисцентни застор изазива једну сцинтилацију или искру, Рутхерфорд је предложио да је то врло погодан начин за бројање радиоактивних честица. На тај начин је сцинтилација послужила као први начин за истраживање количине алфа-честица.

Рутхерфорд је наставио покусе, те је користио је затворену посуду (која се могла пунити различитим плиновима) с покретним извором алфа честица који се могао ставити на различите удаљености од застора. На застору су се уз помоћ микроскопа мотриле сцинтилације - ударци честица у застор који су изазивали свјетлуцање. Кад је у посуду ставио кисик број сцинтилација се смањио због апсорпције алфа честица у слоју плина. Кад је у уређај ставио сухи зрак јавио се ефект супротан очекиваном – број сцинтилација се повећао. Затим је посуду напунио чистим душиком и број сцинтилација био је још и већи. На основу многобројних покуса закључио је да честице које су продорније, прелазе већи пут и изазивају сцинтилације настају због судара алфа честица с атомима душика, те да су те нове честице атоми водика.

Покус с алфа-честицама и златним листићем је био један од нај��начајних покуса у нуклеарној физици, јер је то био први доказ да у атому постоји атомска језгра. Рутхерфорд окупља плодан тим истраживача, међу којима су Ханс Геигер, Ернест Марсден, Георге Хевесy, Хенрy Моселеy, а неколико је година дио тима био и Ниелс Бохр.

Кључни се покус за то откриће догодио 1909. када су знанственици врло танку златну фолију изложили дјеловању алфа-честица. Тхомпсонов модел атома је предвиђао ће алфа-честице проћи кроз танки метални филм и распршити се под одређеним малим кутовима. Но, на велико је изненађење истраживачкога тима установљено распршење и под великим кутовима, а неке су се хелијеве језгре од металне фолије одбиле потпуно унатраг. Рутхерфорд је то успоредио с вјеројатношћу да лист папира одбије топовску куглу. Резултат је покуса водио према новом моделу атома, који је Рутхерфорд предложио 1911.: атом се састоји од средишњега набоја окруженога сферичном расподјелом набоја супротнога предзнака. У почетку се претпостављало да су и електрони грађевне честице атомске језгре, па је у моделу за атом душика реднога броја 7 било претпостављено да у језгри има 21 честицу, и то 14 протона и 7 електрона, а у електронском омотачу још 7 електрона. Откриће је спина и спектроскопија душикових језгри, до чега је 1930. дошао талијански физичар Францо Расетти, показало да се душикове језгре владају као честице цјелобројнога спина, тј. као бозони. То је било у потпуном нескладу с предложеним моделом душикове језгре с 21 нуклеоном, па је то неслагање названо „душиковом катастрофом“. Но, „катастрофа“ је разријешена открићем неутрона, које је 1932. објавио Јамес Цхадwицк и његова спина 1/2. Руски је физичар Дмитри Иваненко предложио тада данашњи модел атома према којем су атомски нуклеони протони и неутрони, а не електрони. Назив протон за позитивно набијени нуклеон први је употријебио Рутхерфорд, а он је 1919. године извео и прву претворбу (трансмутацију) једнога елемента у други; тој је првој нуклеарној реакцији у повијести бомбардирао душик алфа-честицама и тако добио кисик.

Рутхерфордово распршење је појава из нуклеарне физике, којом се објашњава скретања алфа-честица које ударају у танке листиће метала, а с њим се доказује постојање позитивно набијене атомске језгре, која има готово сву масу атома. Рутхерфордово распршење је објашњење структуре атомске језгре, које је настало након покуса с алфа-честицама и златним листићем, којег су извели Ернест Рутхерфорд, Ханс Геигер и Ернест Марсден. Резултати тог покуса су показали да су скретања алфа-честица под великим кутевима била јако ријетка, на примјер при пролазу кроз листић платине на сваких 8000 једна алфа-честица би скренула под кутем већим од 90º.

Чињеница коју је утврдио Рутхерфорд, да је алфа-честица у ствари ион атома хелија, да је њена маса 4 пута већа од масе атома водика и да њен електрични набој износи два елементарна електрична набоја, омогућила је одређивање електричног набоја сваког атома. Осим тога, Рутхерфорд је запазио још једну важну појаву, да се алфа-честице распршују при пролазу кроз неки материјал, на основу које је засновао Рутхерфордов модел атома. Он је запазио да се уски сноп алфа-честица, након пролаза кроз танки листић (фолију) метала, скреће од полазног снопа и да се распрши. Запазио је и да се алфа-честице више распрше код пролаза кроз метал, него код пролаза кроз зрак.

Године 1919. Рутхерфорд је, бомбардирајући душик алфа-честицама извео прву претворбу (трансмутацију) једног елемента у други. Рутхерфорд је приликом истраживања распршења алфа-честица кроз зрак, открио да приликом бомбардирања атома душика с алфа-честицама настају нове језгре атома кисика и водика.

1921. Рутхерфорд је радио с Ниелсом Бохром и претпоставио је постојање неутрона, којег је 1932. доказао његов колега Јамес Цхадwицк и 1935. добио Нобелову награду за физику за то откриће.