Έρνεστ Ράδερφορντ: Ο σπουδαίος Νεοζηλανδός πυρηνικός φυσικός

Έρνεστ Ράδερφορντ - Ernest Rutherford
Ο λόρδος Ράδερφορντ σερ Έρνεστ γεννήθηκε στη Νέα Ζηλανδία στις 30 Αυγούστου του 1871 από φτωχούς Σκωτσέζους γονείς.
Τελείωσε με άριστα τις σπουδές του στο κολέγιο Κάντερμπερυ και το 1894 πήρε υποτροφία για την εργασία του επάνω σ’ έναν ανιχνευτή ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων δικής του επινόησης.
Στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ εργάστηκε υπό την καθοδήγηση του μεγάλου Βρετανού φυσικού Τζόζεφ Τζων Τόμσον.
Το 1898 δέχτηκε την έδρα της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Μακ Γκιλ, στο Μόντρεαλ του Καναδά, όπου παρέμεινε μέχρι το 1907, εργαζόμενος πάνω στη ραδιενέργεια.
Το 1907 έγινε καθηγητής της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Βικτόρια του Μάντσεστερ, όπου αναδείχτηκε κυρίαρχη φυσιογνωμία στο χώρο της πειραματικής φυσικής και κυρίως στη ραδιοχημεία.
Το 1908 πήρε το Νόμπελ χημείας και κατά τη διάρκεια της απονομής του βραβείου σχολίασε με χιούμορ ότι είδε πολλές αλλαγές στη ζωή του, αλλά ποτέ δεν πίστευε ότι θα μεταμορφωνόταν από φυσικός σε χημικό.

Μέλος της Βασιλικής εταιρίας του Λονδίνου, η οποία τον τίμησε το 1922 με την ανώτατη διάκρισή της, το μετάλλιο Κόπλεϋ, διετέλεσε μια πενταετία (1925 - 30) πρόεδρός της. Σε αναγνώριση της τεράστιας προσφοράς του στην επιστήμη, χρίστηκε το 1914 ιππότης, το 1921 τιμήθηκε με το παράσημο αξίας και το 1931 του απονεμήθηκε ο τίτλος του Πρώτου Βαρόνου Ράδερφορντ του Νέλσον και του Κέιμπριτζ.

Στο Μόντρεαλ, σε συνεργασία με το μεγάλο Βρετανό χημικό Φρέντερικ Σόντυ, εξέδωσε 9 επιστημονικές ανακοινώσεις που έπαιξαν θεμελιώδη ρόλο στη μελέτη της ραδιενεργού δράσης.
Αρχικά ο Ράδερφορντ ανακάλυψε τη ραδιενεργό δράση του ραδονίου και απέδειξε ότι ανήκει στην οικογένεια των ευγενών αερίων.
Το 1899 διαπίστωσε την ύπαρξη στη ραδιενεργό εκπομπή 2 διαφορετικών ειδών σωματιδιακής ακτινοβολίας, με αρκετά διαφορετικές ιδιότητες.
Οι ακτίνες α, όπως ονόμασε το ένα είδος εκπομπής, είχαν μικρή διεισδυτική ικανότητα, προκαλούσαν όμως ισχυρό ιονισμό του αέρα.
Το άλλο είδος, οι ακτίνες β, ήταν έντονα διεισδυτικές, ιόνιζαν όμως ελάχιστά τον αέρα. Αργότερα διαπίστωσε την παρουσία ενός τρίτου είδους ακτινοβολίας, η οποία δεν είχε σωματιδιακό χαρακτήρα και ονομάστηκε ακτινοβολία γ.

Οι δύο ερευνητές διατύπωσαν το 1905 μια σύγχρονη θεωρία της ραδιενέργειας, παρουσιάζοντας και τους νόμους των ραδιενεργών μετατροπών.

Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, τα στοιχεία μεταστοιχειώνονταν, με κάποια σειρά, σε άλλα. Κάθε διαδικασία ιονισμού που παράγεται από ραδιενεργό ουσία προέρχεται από σωμάτια ή ακτινοβολίες που εκπέμπουν τα άτομα της ουσίας. Με την τρόπο αυτό, η ραδιενεργός δράση ερμηνεύεται σαν αυθόρμητη διάσπαση των ατόμων ενός υλικού, κατά την οποία τα στοιχεία αλλάζουν θέση στον πίνακα του περιοδικού συστήματος, δηλαδή άτομα κάποιων στοιχείων μεταλλάσσονται σε άτομα άλλων στοιχείων.
Το εργαστήριο του Έρνεστ Ράδερφορντ

Στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ ο Έρνεστ Ράδερφορντ και οι συνεργάτες του συνέχισαν τα πειράματά τους πάνω στη σκέδαση των ακτινών «α». Τα σωματίδια α, που στην ουσία είναι πυρήνες ηλίου, έχουν μια συγκεκριμένη τροχιά και εμβέλεια και προκαλούν ιονισμό.
Συνεχίζοντας τα πειράματά τους, το 1911 έφτασαν σ’ ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα. Σ’ ένα πολύ λεπτό φύλλο χρυσού άφησαν να προσπέσουν κάθετα σωματίδια α, δηλαδή πυρήνες ηλίου που εκτοξεύονται από μια ραδιενεργό πηγή με τεράστια ταχύτητα, περίπου 20.000 χιλ./δευτ.
Παρατήρησαν ότι, στην συντριπτική τους πλειοψηφία, τα σωματίδια ακολουθούσαν σχεδόν ευθείες τροχιές, αρκετά παρέκκλιναν από την αρχική τους διεύθυνση, αλλά υπήρχαν και μερικά που αντανακλώνταν κατά πολύ μεγάλες γωνίες ή επέστρεφαν πίσω.
Ο Ράδερφορντ περιέγραψε έκπληκτος τα αποτελέσματα, λέγοντας ότι:

«Ήταν το πιο απίστευτο γεγονός που συνέβη στη ζωή μου. Ήταν σαν να πυροβολούσες με πιστόλι ένα τσιγαρόχαρτο και η σφαίρα επέστρεφε πίσω».

Δημιουργήθηκαν τα ερωτήματα: τι ήταν αυτό που ανάγκαζε τα σωματίδια άλφα, με τις τεράστιες ταχύτητες, να γυρίσουν πίσω; Υπήρχαν δυνάμεις στα βάθη της ύλης που δεν τα επέτρεπαν να συνεχίσουν την πορεία τους; Πώς θα μπορούσε να εξηγηθεί μια τέτοια συμπεριφορά;
Εκείνη την εποχή είχαν προταθεί διάφορα μοντέλα για τα άτομα που συγκροτούσαν την ύλη. Ο Ολλανδός φυσικός Λορένζ θεωρούσε ότι το ηλεκτρόνιο ήταν ελαστικά συνδεδεμένο με κάποιο κέντρο. Ο Τόμσον υπέθεσε ότι το άτομο περιείχε ένα κέντρο θετικά φορτισμένο, που διαχεόταν σε μια σφαίρα ηλεκτρονίων, όπως το σταφιδόψωμο.
Αλλά ένα τέτοιο άτομο δε θα μπορούσε να αποκρούσει τα σωματίδια α. Την πιο πιστευτή εξήγηση έδωσε ο Γιαπωνέζος φυσικός Χαντάρο Ναγκαόκα, ο οποίος θεώρησε ότι είναι πιθανόν το άτομο να μοιάζει μ’ ένα μικροσκοπικό πλανητικό σύστημα αλλά χωρίς επιπρόσθετες λεπτομέρειες.
Τελικά ήταν ο Έρνεστ Ράδερφορντ αυτός που έδωσε εξήγηση όλων αυτών των προβλημάτων και δημιούργησε ένα πρότυπο μοντέλο για το άτομο, το οποίο ισχύει μέχρι σήμερα.
Υπέθεσε ότι το άτομο μπορεί να θεωρηθεί ως μια μικρογραφία ενός πλανητικού συστήματος, όπου όλο το θετικό ηλεκτρικό φορτίο και σχεδόν όλη η μάζα του συστήματος βρίσκεται σε μια πολύ μικρή και συμπαγή κεντρική περιοχή, την οποία ονόμασε πυρήνα.
Ο θετικός πυρήνας περιβάλλεται από ένα πλήθος ηλεκτρονίων, που περιστρέφονται γύρω από αυτόν. Οι ηλεκτροστατικές έλξεις που αναπτύσσονται μεταξύ των θετικών φορτίων του πυρήνα και των αρνητικών φορτίων των ηλεκτρονίων κρατούν το άτομο σταθερό και θετικά ουδέτερο, διότι υπάρχει ίσος αριθμός θετικών και ηλεκτρικών φορτίων.
Τα σωματίδια α που είναι θετικώς φορτισμένα, καθώς πλησιάζουν τον πυρήνα του ατόμου -που είναι και αυτός θετικά φορτισμένος- απωθούνται σύμφωνα με τον νόμο του Κουλόμπ και εκτρέπονται από την τροχιά τους ή επιστρέφουν πίσω.
Έτσι τα σωματίδια α ακολουθούν υπερβολικές τροχιές. Τα δε ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα, επειδή είναι χιλιάδες φορές ελαφρύτερα από τα σωματίδια α, δεν επιδρούν στην τροχιά των σωματιδίων α.
Στη συνέχεια, τα πειράματα του Ράδερφορντ, του Μαρσντεν και του Χανσγκάϊκερ αποκάλυψαν τον ακέραιο αριθμό Ζ που είναι χαρακτηριστικός για κάθε άτομο και αντιπροσωπεύει τον αριθμό των ηλεκτρικών φορτίων του πυρήνα και φυσικά τον αριθμό των ηλεκτρονίων του ατόμου.
Επιπλέον ο Ζ χαρακτηρίζει κάθε χημικό στοιχείο. Για παράδειγμα, για το άτομο του υδρογόνου είναι Ζ=1, για το ήλιο Ζ=2, για το λίθιο Ζ=3 και για το ουράνιο Ζ=92. Όταν αποδείχτηκε ότι το θετικό φορτίο του πυρήνα οφείλεται στα πρωτόνια, ο Ζ ταυτίστηκε με τον αριθμό των πρωτονίων του πυρήνα και ονομάστηκε ατομικός. Αυτό ήταν μιά επιβεβαίωση της μεγαλοφυούς ιδέας του Μεντελέγιεφ, ο οποίος, γύρω στο 1869, δημιούργησε το περιοδικό σύστημα των στοιχείων σύμφωνα με το ατομικό τους βάρος.
Αλλά ο Ράδεφορντ απέδειξε ότι είναι ο ατομικός αριθμός Ζ που χαρακτηρίζει το κάθε στοιχείο και όχι το βάρος του, αφού ο Ζ δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε κάθε άτομο. Συνεπώς είναι τα ηλεκτρόνια του ατόμου - και μάλιστα αυτά της εξωτερικής στοιβάδας- που προσδιορίζουν επακριβώς τις χημικές ιδιότητες κάθε στοιχείου.
Το πρότυπο του Ράδερφορντ που απεικόνιζε το άτομο σαν μία μικρογραφία του πλανητικού συστήματος είναι ολοκάθαρα μία πρακτική απόδειξη της φιλοσοφικής αντίληψης ότι η δομή του Σύμπαντος επαναλαμβάνεται τόσο στην ολότητά του όσο και στο πιο μικρό σωματίδιο.

Σε αυτή την αλήθεια αναφέρεται μία από τις 7 Αρχές - Νόμους του Ερμητικού Κυμβαλίου και της Εσωτερικής Φιλοσοφίας που λέει ότι:

«όπως είναι πάνω είναι και κάτω, όπως είναι κάτω είναι και πάνω».

Το 1919, στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ και σε συνεργασία με τον Γκαίντινγκεν, έκανε την τρίτη του σπουδαία ανακάλυψη. Βομβάρδισε άζωτο με σωμάτια α και διαπίστωσε την εμφάνιση ταχέων πυρήνων υδρογόνου, που με πρότασή του ονομάστηκαν «πρωτόνια».
Το 1920-24, σε συνεργασία με τον Βρετανό φυσικό Τζαίημς Τσάντγουικ, προσπάθησε να αποδείξει ότι τα περισσότερα ελαφρά στοιχεία εκπέμπουν πρωτόνια, αν βομβαρδιστούν με σωμάτια α.
Υποστήριξε την αναγκαιότητα της ύπαρξης στη φύση ενός ουδέτερου σωματίου, το οποίο ονόμασε «νετρόνιο». Το τελευταίο το ανακάλυψε το 1932 ο Τσάντγουικ στο εργαστήριο του Ράδερφορντ και σε συνεργασία με τον Βρετανό φυσικό Φράνσις Αστον προσδιόρισε με ακρίβεια τη μάζα του.
Αν και ο Ράδερφοντ ανακάλυψε την μορφολογία του ατόμου και δημιούργησε ένα ακριβές αλλά απλό μοντέλο, αυτός που ανέπτυξε περαιτέρω τη θεωρία για τα άτομα ήταν ο Νιλς Μπορ.
Ο Ράδερφορντ ασχολήθηκε περισσότερο με την μελέτη των ακτινών α - β - γ , τον μετασχηματισμό και την διάσπαση των ατομικών πυρήνων που οδήγησε στις πυρηνικές αντιδράσεις, με αποκορύφωμα την ελεγχόμενη αλυσωτή πυρηνική αντίδραση του Φέρμι στο Σικάγο, το 1942.

Στις 19 Οκτωβρίου του 1937 ο Ράδερφορντ πέθανε και ετάφη στο Αβαείο του Ουέστμινιστερ, κοντά στον τάφο του Νεύτωνα. Ήταν ο πρώτος άνθρωπος που «είδε» και μελέτησε τον ατομικό πυρήνα.
Μελέτησε τον κόσμο του ατόμου από καθαρή αγάπη προς την αλήθεια, όπως δείχνουν τα λόγια του:

«Οι άντρες που έκαναν αυτά τα πειράματα δεν έψαχναν να βρουν καινούριες πηγές ενέργειας, ούτε να παράγουν σπάνια και ακριβά στοιχεία. Η αιτία ήταν πολύ βαθιά και έδρευε στην ακαταμάχητη έλξη που ασκεί στον άνθρωπο η ανακάλυψη των μεγάλων μυστηρίων της φύσης».

Αποκάλυψη