بیوگرافی ارنست رادرفورد فیزیکدان و دانشمند بریتانیایی

ارنست رادرفورد (به انگلیسی: Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson) فیزیک دان برجسته هسته ای برنده جایزه نوبل اهل نیوزلند بود. او در سال ۱۹۱۱ هسته اتم را کشف کرد به این خاطر او را پدر فیزیک هسته ای می نامند. عنصر رادرفوردیم به افتخار او نامگذاری شده است. در کارهای اولیه، رادرفورد مفهوم نیمه عمر رادیواکتیو، عنصر رادیواکتیو رادون را کشف کرد و تابش آلفا و بتا را تفکیک کرد و نام برد. این کار در دانشگاه مک گیل در مونترال، کبک، کانادا انجام شده است. این مبنای جایزه نوبل شیمی است که وی در سال ۱۹۰۸ «به دلیل تحقیقات در مورد تجزیه عناصر و شیمی مواد رادیواکتیو» به وی اعطا شد، که وی اولین برنده نوبل کانادا و اقیانوسیه بود. رادرفورد در سال ۱۹۰۷ به دانشگاه ویکتوریا منچستر (دانشگاه منچستر امروزی) در انگلستان نقل مکان کرد، جایی که او و توماس رویز ثابت کردند که تابش آلفا هسته هلیوم است. رادرفورد مشهورترین کار خود را پس از برنده شدن در جایزه نوبل انجام داد. در سال ۱۹۱۱، گرچه نمی توانست مثبت یا منفی بودن آن را اثبات کند، او این نظریه را مطرح کرد که اتم ها بار خود را در یک هسته بسیار کوچک متمرکز کرده اند، و بدین ترتیب با کشف و تفسیر خود، مدل اتم رادرفورد را پیشگام کرد. پراکندگی رادرفورد توسط آزمایش فویل طلا از هانس گایگر و ارنست مارسدن - سایپرز نشان داده شد. باشگاه دانش او اولین آزمایش هسته ای مصنوعی را در سال ۱۹۱۷ در آزمایش هایی انجام داد که هسته های نیتروژن با ذرات آلفا بمباران می شد. در نتیجه، او انتشار ذره ای زیر اتمی را کشف کرد که در سال ۱۹۱۹، او آن را «اتم هیدروژن» نامید اما در سال ۱۹۲۰، آن را با نام دقیق تر پروتون را معرفی کرد. رادرفورد در سال ۱۹۱۹ مدیر آزمایشگاه کاوندیش در دانشگاه کمبریج شد. تحت هدایت وی نوترون توسط جیمز چادویک در سال ۱۹۳۲ کشف شد و در همان سال اولین آزمایش تقسیم هسته به طور کاملاً کنترل شده توسط دانشجویان او، جان کاکرافت و ارنست والتون، انجام شد. پس از مرگ در سال ۱۹۳۷، وی در ابی وست مینستر در نزدیکی سر آیزاک نیوتون به خاک سپرده شد. عنصر شیمیایی رادرفوردیم (عنصر ۱۰۴) در سال ۱۹۹۷ به نام وی نامگذاری شد.

کودکی و نوجوانی رادرفورد

او در تاریخ ۳۰ اوت سال ۱۸۷۱ در حومه برایت واتر شهر نلسون واقع ساحل شمالی جزیره جنوبی نیوزلند متولد شد. او چهارمین فرزند از دوازده فرزند جیمز و مارتا رادرفورد نیوزیلندی های نسل اول بود که از کودکی از اسکاتلند به زلاند نو آورده شده بودند. خانواده رادرفورد یک خانواده پر جمعیت دوازده بچه ای بود که اعضای آن همه در انجام کارهای روزمره خانواده مشارکت می کردند اهل خانه همه افرادی جدی و کلیسا رو، خوشحال و با فرهنگ بودند. علاقه مندی رادرفورد به علوم در مرحله زودی بروز کرد. او ده ساله بود که کتاب پرطرفداری به نام خواندنی های اولیه در فیزیک تألیف معلمی بنام بالفور استوارت به دست آورد. کتاب استوارت مشابه کتاب های خود آموز فیزیک آموزی بود که در آن ها نحوه به نمایش درآوردن اصول پایه فیزیک یا استفاده از اشیای ساده موجود در خانه مانند سکه، شمع، سنگ وزنه و وسایل آشپزخانه به خواننده یاد داده می شود. رادرفورد جوان سخت شیفته آن کتاب شده بود نخستین بورسیه از بورسیه های تحصیلی متعدد زندگی خود را در سال ۱۸۸۷ که ۱۶ ساله بود به دست آورد.

تحصیل در دانشگاه رادرفورد

بورس تحصیلی دومی وی را قادر به ثبت نام در دانشکده کنتربوری شهر کرایست چرچ کرد که مؤسسه ای بود که در سال پیش از تولد خود او به وجود آمده بود. وی رشته های تحصیلی اصلی خود را فیزیک و ریاضیات انتخاب کرد که از بخت مساعد در هر دوی آن ها معلمان خوبی هم داشت. رادرفورد در پایان دوره آموزشی سه ساله خود درجه کارشناسی ریاضی و فیزیک – ریاضی و (به طور کلی) علوم فیزیکی به پایان رسانید. نکته قابل ذکر در رابطه با زندگی خصوصی وی در ایام اقامت در کریستچرچ اینکه وی در آنجا با ماری نیوتن دختر صاحبخانه خود آشنا و پایبند عشق او شد. رادرفورد در پی انتشار دو مقاله مهم دربارهٔ فعالیت تشعشعی مواد در سال ۱۸۹۵ بر خلاف دوم شدن در گزینش، جایزه مهمی به شکل یک بورس تحصیلی دریافت کرد مقررات اعطای جایزه حق انتخاب مؤسسه آموزشی را به خود برنده جایزه می داد که رادرفورد، آزمایشگاه کاوندیشِ دانشگاه کمبریج به مدیریت جی. جی تامسون (صاحب نظر پیشتاز جهان در زمینه الکترومغناطیس) را برگزید در آن سال ویلهلم رونتگن فیزیک دان آلمانی موفق به کشف اشعه ایکس، که در پی آن کشف خاصیت پرتوزایی توسط هانری بکرل و نام گذاری این خاصیت توسط ماری کوری انجام گردید. کشف مهم دیگری که منجر به شروع کار اصلی رادرفورد شد.

کارهای علمی رادرفورد

رادرفورد در سال ۱۸۹۵ به آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج آمد تا در آنجا تحت مدیریت جی. جی تامسون مشغول به کار شود. تامسون که استاد فیزیک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمایشگاه به کار گرفت. رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود دو تابش رادیواکتیوی ناهمانند شناسایی کرد او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت یک پانصدم سانتی متر قابل ایستادن بود اما برای متوقف کردن بخش دیگر برگه های بَس ضخیم تری لازم بود. او اولین اشعه ای را که تابشی با بار الکتریکی مثبت و یونیده کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد، اشعه آلفا نامید. اشعه دوم را که تابشی بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می کرد اما قابلیت نفوذ آن در مواد زیاد بود، اشعه بتا نامید. تابش نوع سومی که شبیه پرتوهای ایکس بود در سال ۱۹۰۰ به وسیله پل اوریچ ویلارد (فیزیک دان فرانسوی) کشف شد این پرتو نافذترین تابش را داشت. طول موج آن بسیار کوتاه و بسامد آن فوق العاده زیاد بود. تابش جدید، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعالیت تشعشعی طبیعی مشهود در اورانیوم: فرایند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانیوم به صورت یک هسته اتم هلیم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانیوم در اورانیوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آن ها نتیجه گیری شد که رادیوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعالیت تشعشعی اورانیوم است. رادرفورد در سال ۱۹۰۳ به عضویت انجمن سلطنتی لندن درآمد و در سال ۱۹۰۴ نخستین کتاب خود به نام فعالیت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسیک نوشته شده در آن زمینه شناخته می شود، منتشر کرد شهرت رو به افزون رادرفورد در جوامع علمی سبب شد که از طرف دانشگاه ها تصدی کرسی های زیادی به وی پیشنهاد شود. او در سال ۱۹۰۷ به انگلستان بازگشت تا تصدی مقام مذکور را در دانشگاه منچستر به عهده بگیرد رادرفورد در دانشگاه منچستر رهبر گروهی شد که به سرعت دست به کار تدوین نظریههای تازه دربارهٔ ساختار اتم شد. آن دوره پُرثمرترین دوره زندگی دانشگاهی او بود. رادرفورد به پاس کوشش های علمی خود در دانشگاه منچستر نشان ها و جوایز زیادی دریافت کرد که دریافت جایزه نوبل شیمی در سال 1908 نقطه اوج آن بود. این نشان افتخار را البته برای کارهایی که در کانادا در زمینه فعالیت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند. بزرگ ترین دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچستر کشف ساختار هسته اتم بود. پیش از رادرفورد اتم به گفته خود او یک موجود نازنین سخت و قرمز یا به حسب سلیقه خاکستری بود؛ اما اینک یک منظومه شمسیای بسیار ریز متشکل از ذرات بی شمار است که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد دیگر در سینه هم است.

کشف تابش آلفا و بتا توسط رادرفورد

رادرفورد از سال ۱۸۹۸ تحقیقات جدی پیرامون تابش عنصر اورانیوم را شروع کرد. او دو نوع تابش کشف کرد که آن ها را آلفا و بتا نامید. آزمایش رادرفورد شامل تابش اشعه به لایه های متعدد فلز بود که منجر به درک ساختار تابش ها شد. ارنست ابتدا عنوان کرد که ذره های بتا قدرت نفوذ بیشتری نسبت به اشعه های آلفا دارند. بخش دیگر آزمایش با تابش در میدان های مغناطیسی انجام می شد که درک بار ذرات و تابش ها را به همراه داشت. رادرفورد کشف کرد که ذره های آلفا بار مثبت دارند. آزمایش های رادرفورد پیرامون ذرات آلفا و بتا، بار آن ها و دیگر خصوصیات فیزیکی با جدیت ادامه یافت. او نسبت بار به جرم ذرات را محاسبه کرد و به نتیجه ی جالبی رسید: رادرفورد ادعا کرد ذرات آلفا همان یون های هلیوم هستند که بار +۲ دارند. ادامه ی تحقیقات به کمک همکاری به نام فردریک سادی انجام شد که نتایج زیر را به همراه داشت:

• ذرات آلفا طبیعتی اتمی دارند.
• ذرات آلفا از تجزیه ی اتم های بزرگ تر ایجاد می شوند. درنتیجه می توان ادعا کرد که اتم ها برخلاف ادعاهای قبلی ذرات غیرقابل شکست و تجزیه نیستند.
• وقتی اتم های بزرگ ذرات آلفا تابش می کنند، به اتم های کوچک تر تبدیل می شوند. درنتیجه می توان ادعا کرد عناصر رادیواکتیو پس از تابش ذرات به عناصر دیگری تبدیل می شوند.

اصطلاحات آلفا، بتا و گاما توسط رادرفورد برای انواع تابش های هسته ای به جهان علم معرفی شدند. امروزه هنوز چنین اصطلاحاتی در مباحث علمی استفاده می شوند. البته فرضیه ی تابش گاما در سال ۱۹۰۰ توسط پائول ویلارد در پارس اثبات شد. شایان ذکر است تحقیقات رادرفورد هم زمان با ماری و پیر کوری انجام می شد که در آن سال ها عناصر رادیواکتیو پلونیوم و رادیوم را کشف کردند. رادرفورد در آن زمان پیرامون رقابت علمی در حوزه ی هسته ای گفته بود: من همیشه باید مشغول فعالیت باشم چون همواره افراد و رقبایی در حوزه ی فعالیت من حضور دارند. همیشه باید دستاوردهای کار خود را با حداکثر سرعت منتشر کنم تا با سرعت موجود در دنیای علم هماهنگ شوم. درحال حاضر بهترین شرکت کننده ها در رقابت کنونی بکرل و خانواده ی کوری هستند. رادرفورد در سال ۱۹۰۷ مفهوم نیمه عمر عناصر رادیواکتیو را مطرح کرد. او درنتیجه ی همان ادعای قبلی یعنی کاسته شدن از جرم اتم بر اثر تابش، به این مفهوم رسیده بود و زمانی را برای رسیدن اتم به نصف مقدار اولیه در نظر گرفت. اصلاح نیمه عمر یا Half-Life هم توسط رادرفورد به جوامع علمی معرفی شد. تحقیقات پیرامون ذرات اتمی و تابش های رادیواکتیو که در دانشگاه مک گیل انجام می شد، اولین جایزه ی بزرگ علمی را برای رادرفورد به همراه داشت. او در سال ۱۹۰۸ مفتخر به دریافت جایزه ی نوبل شیمی شد. در توضیح جایزه ی او، «تحقیقات پیرامون تجزیه ی عناصر و مفاهیم شیمایی مواد رادیواکتیو» ذکر شده بود.

کشف هسته ی اتم

رادرفورد پس از رفتن به دانشگاه منچستر به کمک همکارانش، هانس گیگر و ارنست مرسدن، یکی از مهم ترین تحقیقات و آزمایش های تاریخ علم را انجام داد. آزمایش او به نام ورقه ی طلا شهرت یافت که دستاوردهای بسیار بزرگی به همراه داشت. رادرفورد در جریان تحقیقات پیرامون ذره های آلفا به این نتیجه رسید که ذره های کمتری به گیرنده ی موجود در آزمایشگاهش می رسند. تنها عنصری که در مسیر ذرات قرار داشت، مقداری هوا بود. رادرفورد تصور می کرد که انرژی بالای ذرات آلفا، عبور آسان آن ها از مقدار کمی هوا را به راحتی ممکن می کند و آن ها باید بدون هیچ کاهشی به مقصد برسند. گیگر و مرسدن از سوی رادرفورد مأمور شدند تا دلیل کاهش ذرات آلفا تار رسیدن به مقصد را بررسی کنند. آن ها باید دلیل منحرف شدن ذرات از مسیر مستقیم همیشگی را کشف می کردند. برای انجام این آزمایش نیز باید ذرات از ورقه ی نازک طلا عبور داده می شدند. آن ها از نمونه ای اورانیوم برای تابش ذرات آلفا استفاده کردند که از یک ورقه ی نازک طلا عبور کنند. سپس همه ی ذراتی که به مقصد رسیدند، با شیوه های الکتریکی محاسبه شدند. نتایج آزمایش در نظریه های بعدی رادرفورد و همکارانش نقشی حیاتی داشت. استفاده از لایه ی نازک طلا با این هدف بود که آن را به عنوان ماده ای در ابعاد اتمی در نظر بگیرند. پیش از آزمایش، تغییر مسیری جزئی در حرکت ذرات پیش بینی می شد. درواقع ذرات نیز پس از عبور از لایه ی طلا انحراف کمی را ثبت کردند، اما برخی از آن ها با انحراف بسیار بالا روبه رو و حتی برخی به صورت کامل منعکس شدند. رادرفورد نتایج مذکور را هیجان انگیز می دانست. او رخداد پیش آمده را این گونه تشبیه کرد که از یک توپ جنگی، به یک دستمال کاغذی شلیک شود و قسمت هایی از گلوله، به توپ بازگردند.

مرگ رادرفورد

رادرفورد در سال ۱۹۳۷ در اثر یک فتق محتقن (گونه ای تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) که به خاطر سقوط وی از درخت در هنگام هرس کردن آن اتفاق افتاد، در گذشت. او در آن هنگام ۶۶ ساله و هنوز سرزنده و قوی بود. سهم رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است. او آشکارا بزرگ ترین فیزیک دان آزمایشگری بود که تا آن زمان جهان به خود دیده بود. ده ها انجمن علمی و دانشگاه به او عضویت و درجات دانشگاهی افتخاری داده اند و او را پدر انرژی هسته ای نامیده اند.

بیوگرافی ارنست ماخ فیلسوف و فیزیکدان اتریشی