Ernest Rutherford - Ernest Rutherford

O Senhor Rutherford de Nelson
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Ernest Rutherford
Presidente da Royal Society
No cargo
1925-1930
Precedido por Sir Charles Scott Sherrington
Sucedido por Sir Frederick Gowland Hopkins
Detalhes pessoais
Nascer ( 1871-08-30 )30 de agosto de 1871
Brightwater , Colônia da Nova Zelândia
Faleceu 19 de outubro de 1937 (1937-10-19)(com 66 anos)
Cambridge , Inglaterra
Lugar de descanso Abadia de westminster
Cidadania Assunto britânico , Nova Zelândia
Residência Nova Zelândia, Reino Unido
Assinatura
Alma mater
Laboratório Cavendish da Universidade da Nova Zelândia , Universidade de Cambridge
Conhecido por
Prêmios
Carreira científica
Campos Física e química
Instituições
Orientadores acadêmicos
Alunos de doutorado
Outros alunos notáveis
Influenciado

Ernest Rutherford, 1º Barão Rutherford de Nelson , OM , FRS , HonFRSE (30 de agosto de 1871 - 19 de outubro de 1937) foi um físico britânico nascido na Nova Zelândia que veio a ser conhecido como o pai da física nuclear . A Encyclopædia Britannica o considera o maior experimentalista desde Michael Faraday (1791-1867). Ele também passou uma parte substancial de sua carreira no exterior, no Canadá e no Reino Unido .

Nos primeiros trabalhos, Rutherford descobriu o conceito de meia-vida radioativa, o elemento radioativo radônio , e diferenciava e denominava radiação alfa e beta . Este trabalho foi realizado na McGill University em Montreal , Quebec, Canadá. É a base para o Prêmio Nobel de Química que recebeu em 1908 "por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química de substâncias radioativas", pelo qual foi o primeiro Prêmio Nobel da Oceania e o primeiro a realizar o trabalho premiado no Canadá. Em 1904, foi eleito membro da American Philosophical Society .

Rutherford mudou-se em 1907 para a Victoria University of Manchester (hoje Universidade de Manchester ) no Reino Unido, onde ele e Thomas Royds provaram que a radiação alfa são núcleos de hélio . Rutherford realizou seu trabalho mais famoso depois de se tornar um ganhador do Nobel. Em 1911, embora não pudesse provar que era positivo ou negativo, ele teorizou que os átomos têm sua carga concentrada em um núcleo muito pequeno e, portanto, foi o pioneiro no modelo de átomo de Rutherford, por meio de sua descoberta e interpretação do espalhamento de Rutherford pelo ouro experimento de folha de Hans Geiger e Ernest Marsden . Ele realizou a primeira reação nuclear induzida artificialmente em 1917, em experimentos em que núcleos de nitrogênio foram bombardeados com partículas alfa. Como resultado, ele descobriu a emissão de uma partícula subatômica que, em 1919, chamou de "átomo de hidrogênio", mas, em 1920, deu o nome mais preciso de próton .

Rutherford tornou-se Diretor do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge em 1919. Sob sua liderança, o nêutron foi descoberto por James Chadwick em 1932 e no mesmo ano o primeiro experimento para dividir o núcleo de uma maneira totalmente controlada foi realizado por alunos que trabalhavam sob sua direção, John Cockcroft e Ernest Walton . Após sua morte em 1937, ele foi enterrado na Abadia de Westminster, perto de Sir Isaac Newton . O elemento químico rutherfórdio (elemento 104) foi nomeado em sua homenagem em 1997.

Biografia

Infância e educação

Ernest Rutherford era filho de James Rutherford, um fazendeiro, e de sua esposa Martha Thompson, originalmente de Hornchurch , Essex, Inglaterra. James havia emigrado para a Nova Zelândia de Perth , Escócia, "para criar um pouco de linho e muitos filhos". Ernest nasceu em Brightwater , perto de Nelson , Nova Zelândia. Seu primeiro nome foi escrito por engano como 'Earnest' quando seu nascimento foi registrado. A mãe de Rutherford, Martha Thompson, era professora primária.

Rutherford em 1892, com 21 anos

Ele estudou na Havelock School e depois no Nelson College e ganhou uma bolsa para estudar no Canterbury College , da Universidade da Nova Zelândia , onde participou da sociedade de debates e jogou rúgbi . Depois de obter seu BA, MA e BSc, e fazer dois anos de pesquisa durante os quais ele inventou uma nova forma de receptor de rádio, em 1895 Rutherford foi premiado com uma bolsa de pesquisa de 1851 da Royal Commission for the Exhibition de 1851 , para viajar para a Inglaterra para estudo de pós-graduação no Laboratório Cavendish , Universidade de Cambridge . Ele foi um dos primeiros 'alienígenas' (aqueles sem diploma de Cambridge) autorizados a fazer pesquisas na universidade, sob a liderança de JJ Thomson , o que despertou o ciúme dos membros mais conservadores da fraternidade Cavendish. Com o incentivo de Thomson, ele conseguiu detectar ondas de rádio a meia milha e brevemente deteve o recorde mundial de distância na qual ondas eletromagnéticas podiam ser detectadas, embora quando ele apresentou seus resultados na reunião da Associação Britânica em 1896, ele descobriu que tinha estado superado por Guglielmo Marconi , que também lecionava.

Em 1898, Thomson recomendou Rutherford para um cargo na McGill University em Montreal, Canadá. Ele substituiria Hugh Longbourne Callendar, que ocupava a cadeira de Macdonald Professor de física e estava vindo para Cambridge. Rutherford foi aceito, o que significava que em 1900 ele poderia se casar com Mary Georgina Newton (1876–1954), com quem havia se comprometido antes de deixar a Nova Zelândia; eles se casaram na Igreja Anglicana de St Paul, em Papanui in Christchurch , e tiveram uma filha, Eileen Mary (1901–1930), que se casou com o físico Ralph Fowler . Em 1901, Rutherford obteve um DSc da Universidade da Nova Zelândia. Em 1907, ele retornou à Grã-Bretanha para assumir a cadeira de física na Victoria University of Manchester .

Últimos anos e honras

Rutherford foi nomeado cavaleiro em 1914. Durante a Primeira Guerra Mundial, ele trabalhou em um projeto ultrassecreto para resolver os problemas práticos de detecção de submarinos por sonar . Em 1916, ele foi premiado com a Medalha Memorial Hector . Em 1919, ele retornou ao Cavendish sucedendo JJ Thomson como o professor e diretor do Cavendish. Sob ele, os prêmios Nobel foram concedidos a James Chadwick por descobrir o nêutron (em 1932), John Cockcroft e Ernest Walton por um experimento que seria conhecido como divisão do átomo usando um acelerador de partículas e Edward Appleton por demonstrar a existência do ionosfera . Em 1925, Rutherford pressionou o governo da Nova Zelândia para apoiar a educação e a pesquisa, o que levou à formação do Departamento de Pesquisa Científica e Industrial (DSIR) no ano seguinte. Entre 1925 e 1930, ele serviu como presidente da Royal Society e, mais tarde, como presidente do Conselho de Assistência Acadêmica, que ajudou quase 1.000 refugiados universitários da Alemanha. Ele foi nomeado para a Ordem do Mérito nas Honras de Ano Novo de 1925 e elevado à nobreza como Barão Rutherford de Nelson , de Cambridge, no condado de Cambridge em 1931, um título que foi extinto após sua morte inesperada em 1937. Em 1933, Rutherford foi um dos dois ganhadores inaugurais da Medalha TK Sidey , criada pela Royal Society da Nova Zelândia como um prêmio por pesquisas científicas de destaque.

Túmulo de Lord Rutherford na Abadia de Westminster

Por algum tempo antes de sua morte, Rutherford teve uma pequena hérnia , que ele havia esquecido de consertar, e que foi estrangulada, fazendo com que ele adoecesse violentamente. Apesar de uma operação de emergência em Londres, ele morreu quatro dias depois do que os médicos chamaram de "paralisia intestinal", em Cambridge. Após a cremação no Golders Green Crematorium , ele recebeu a alta honra de ser enterrado na Abadia de Westminster , perto de Isaac Newton e outros ilustres cientistas britânicos.

Pesquisa científica

Ernest Rutherford na Universidade McGill em 1905

Em Cambridge, Rutherford começou a trabalhar com JJ Thomson nos efeitos condutores dos raios X nos gases, trabalho que levou à descoberta do elétron que Thomson apresentou ao mundo em 1897. Ouvindo sobre a experiência de Becquerel com o urânio , Rutherford começou para explorar sua radioatividade , descobrindo dois tipos que diferiam dos raios X em seu poder de penetração. Continuando sua pesquisa no Canadá, ele cunhou os termos raio alfa e raio beta em 1899 para descrever os dois tipos distintos de radiação . Ele então descobriu que o tório emitia um gás que produzia uma emanação que era radioativa e revestia outras substâncias. Ele descobriu que uma amostra desse material radioativo de qualquer tamanho invariavelmente levava o mesmo tempo para que metade da amostra se decompusesse - sua " meia-vida " (11 minutos e meio neste caso).

De 1900 a 1903, juntou-se a ele em McGill o jovem químico Frederick Soddy ( Prêmio Nobel de Química , 1921), para quem estabeleceu o problema de identificar as emanações de tório. Depois de eliminar todas as reações químicas normais, Soddy sugeriu que devia ser um dos gases inertes, que chamaram de thoron (mais tarde descobriu-se que era um isótopo do radônio ). Eles também encontraram outro tipo de tório que chamaram de Tório X, e continuaram encontrando vestígios de hélio. Eles também trabalharam com amostras de "Urânio X" de William Crookes e rádio de Marie Curie .

Em 1903, eles publicaram sua "Lei da Mudança Radioativa", para explicar todos os seus experimentos. Até então, os átomos eram considerados a base indestrutível de toda a matéria e, embora Curie tivesse sugerido que a radioatividade era um fenômeno atômico, a idéia de que os átomos das substâncias radioativas se fragmentavam era uma idéia radicalmente nova. Rutherford e Soddy demonstraram que a radioatividade envolvia a desintegração espontânea de átomos em outra matéria ainda não identificada. O Prêmio Nobel de Química de 1908 foi concedido a Ernest Rutherford "por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioativas".

Em 1903, Rutherford considerou um tipo de radiação descoberta (mas não nomeada) pelo químico francês Paul Villard em 1900, como uma emissão de rádio , e percebeu que essa observação deve representar algo diferente de seus próprios raios alfa e beta, devido aos seus próprios poder de penetração muito maior. Rutherford, portanto, deu a esse terceiro tipo de radiação o nome de raio gama . Todos os três termos de Rutherford estão em uso padrão hoje - outros tipos de decaimento radioativo foram descobertos, mas os três tipos de Rutherford estão entre os mais comuns.

Em 1904, Rutherford sugeriu que a radioatividade fornece uma fonte de energia suficiente para explicar a existência do Sol por muitos milhões de anos necessários para a lenta evolução biológica na Terra proposta por biólogos como Charles Darwin . O físico Lord Kelvin havia argumentado anteriormente por uma Terra muito mais jovem (ver também William Thomson, 1º Barão Kelvin # Idade da Terra: geologia ) com base na insuficiência de fontes de energia conhecidas, mas Rutherford apontou em uma palestra com a presença de Kelvin que a radioatividade poderia resolver este problema.

Em Manchester, ele continuou a trabalhar com radiação alfa. Em conjunto com Hans Geiger , ele desenvolveu telas de cintilação de sulfeto de zinco e câmaras de ionização para contar alfas. Dividindo a carga total produzida pelo número contado, Rutherford decidiu que a carga do alfa era dois. No final de 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds permitiram que os alfas penetrassem por uma janela muito fina em um tubo evacuado. À medida que provocavam a descarga do tubo , o espectro obtido mudou, à medida que os alfas se acumulavam no tubo. Eventualmente, o espectro claro do gás hélio apareceu, provando que os alfas eram pelo menos átomos de hélio ionizados e provavelmente núcleos de hélio.

Um mito de longa data existia, pelo menos já em 1948, indo pelo menos até 2017, de que Rutherford foi o primeiro cientista a observar e relatar uma transmutação artificial de um elemento estável em outro elemento: nitrogênio em oxigênio. Foi considerado por muitas pessoas uma das maiores realizações de Rutherford. O governo da Nova Zelândia chegou a emitir um selo comemorativo na crença de que a descoberta do nitrogênio em oxigênio pertencia a Rutherford. A partir de 2017, muitas instituições científicas corrigiram suas versões dessa história para indicar que o crédito da descoberta pela reação pertence a Patrick Blackett . Rutherford detectou o próton ejetado em 1919 e interpretou-o como evidência da desintegração do núcleo de nitrogênio (para núcleos mais leves). Em 1925, Blackett mostrou que o produto real é o oxigênio e identificou a verdadeira reação como 14 N + α → 17 O + p. Rutherford, portanto, reconheceu "que o núcleo pode aumentar em vez de diminuir em massa como resultado de colisões nas quais o próton é expelido".

Experiência de folha de ouro

Topo: Resultados esperados: partículas alfa passando pelo modelo de pudim de ameixa do átomo sem serem perturbadas.
Abaixo: Resultados observados: uma pequena porção das partículas foi desviada, indicando uma carga pequena e concentrada . O diagrama não está em escala; na realidade, o núcleo é muito menor do que a camada do elétron.

Rutherford realizou seu trabalho mais famoso após receber o prêmio Nobel em 1908. Junto com Hans Geiger e Ernest Marsden em 1909, ele realizou o experimento Geiger-Marsden , que demonstrou a natureza nuclear dos átomos desviando as partículas alfa que passavam por uma fina folha de ouro . Rutherford foi inspirado a pedir a Geiger e Marsden neste experimento para procurar por partículas alfa com ângulos de deflexão muito altos, de um tipo não esperado de qualquer teoria da matéria na época. Essas deflexões, embora raras, foram encontradas e provaram ser uma função suave, mas de alta ordem, do ângulo de deflexão. Foi a interpretação de Rutherford desses dados que o levou a formular o modelo de Rutherford do átomo em 1911 - que um pequeno núcleo carregado , contendo grande parte da massa do átomo, era orbitado por elétrons de baixa massa .

Em 1919-1920, Rutherford descobriu que o nitrogênio e outros elementos leves ejetaram um próton, que ele chamou de "átomo de hidrogênio", quando atingido por partículas α (alfa). Este resultado mostrou a Rutherford que os núcleos de hidrogênio faziam parte dos núcleos de nitrogênio (e por inferência, provavelmente outros núcleos também). Essa construção havia sido suspeitada por muitos anos com base nos pesos atômicos que eram números inteiros do hidrogênio; veja a hipótese de Prout . O hidrogênio era conhecido por ser o elemento mais leve, e seus núcleos, presumivelmente, os mais leves. Agora, por causa de todas essas considerações, Rutherford decidiu que um núcleo de hidrogênio era possivelmente um bloco de construção fundamental de todos os núcleos, e também possivelmente uma nova partícula fundamental, já que nada se sabia do núcleo que era mais leve. Assim, confirmando e estendendo o trabalho de Wilhelm Wien que em 1898 descobriu o próton em fluxos de gás ionizado , Rutherford postulou o núcleo de hidrogênio como uma nova partícula em 1920, que ele apelidou de próton .

Em 1921, enquanto trabalhava com Niels Bohr (que postulou que os elétrons se moviam em órbitas específicas), Rutherford teorizou sobre a existência de nêutrons , (que ele batizou em sua Palestra Bakeriana de 1920 ), que poderiam de alguma forma compensar o efeito repelente do positivo cargas de prótons , causando uma força nuclear atrativa e, portanto, evitando que os núcleos voem além da repulsão entre os prótons. A única alternativa aos nêutrons era a existência de "elétrons nucleares" que neutralizariam algumas das cargas de prótons no núcleo, pois já se sabia que os núcleos tinham cerca de duas vezes a massa que poderia ser explicada se fossem simplesmente montados a partir do hidrogênio. núcleos (prótons). Mas como esses elétrons nucleares poderiam ficar presos no núcleo, era um mistério.

Rutherford é amplamente citado como tendo dito, a respeito dos resultados desses experimentos: "Foi o evento mais incrível que já aconteceu na minha vida. Foi quase tão incrível como se você disparasse um projétil de 15 polegadas contra um pedaço de lenço de papel e ele voltou e atingiu você. "

A teoria dos nêutrons de Rutherford foi provada em 1932 por seu associado James Chadwick , que reconheceu os nêutrons imediatamente quando foram produzidos por outros cientistas e mais tarde por ele mesmo, no bombardeio de berílio com partículas alfa. Em 1935, Chadwick recebeu o Prêmio Nobel de Física por essa descoberta.

Legado

Uma placa comemorando a presença de Rutherford na Universidade de Manchester

Rutherford é considerado um dos maiores cientistas da história. Na sessão de abertura do Congresso de Ciências Indiano de 1938, que Rutherford deveria presidir antes de sua morte, o astrofísico James Jeans falou em seu lugar e o considerou "um dos maiores cientistas de todos os tempos", dizendo:

Em seu talento para a linha certa de abordagem de um problema, bem como na simplicidade de seus métodos de ataque, [Rutherford] frequentemente nos lembra de Faraday, mas ele tinha duas grandes vantagens que Faraday não possuía, primeiro, exuberante saúde corporal e energia e, em segundo lugar, a oportunidade e capacidade de dirigir um grupo de colegas de trabalho entusiasmados. Embora a produção de trabalho de Faraday tenha sido ótima, parece-me que, para se equiparar à obra de Rutherford em quantidade e em qualidade, devemos voltar a Newton. Em alguns aspectos, ele teve mais sorte do que Newton. Rutherford sempre foi o guerreiro feliz - feliz em seu trabalho, feliz em seu resultado e feliz em seus contatos humanos.

Física nuclear

plasma de nitrogênio

A pesquisa de Rutherford e o trabalho feito sob sua direção como diretor de laboratório estabeleceram a estrutura nuclear do átomo e a natureza essencial da decadência radioativa como um processo nuclear. Patrick Blackett , um pesquisador que trabalha para Rutherford, usando partículas alfa naturais, demonstrou transmutação nuclear induzida . A equipe de Rutherford mais tarde, usando prótons de um acelerador, demonstrou reações nucleares induzidas artificialmente e transmutação. Ele é conhecido como o pai da física nuclear. Rutherford morreu muito cedo para ver a ideia de Leó Szilárd de reações nucleares em cadeia controladas vir à tona. No entanto, um discurso de Rutherford sobre sua transmutação induzida artificialmente em lítio, impresso no jornal londrino The Times de 12 de setembro de 1933 , foi relatado por Szilárd como sua inspiração para pensar na possibilidade de uma reação em cadeia nuclear de produção de energia controlada . Szilard teve essa ideia enquanto caminhava por Londres, no mesmo dia.

O discurso de Rutherford abordou o trabalho de 1932 de seus alunos John Cockcroft e Ernest Walton em "dividir" o lítio em partículas alfa por bombardeio com prótons de um acelerador de partículas que eles haviam construído. Rutherford percebeu que a energia liberada dos átomos de lítio divididos era enorme, mas ele também percebeu que a energia necessária para o acelerador, e sua ineficiência essencial em dividir átomos dessa forma, tornava o projeto uma impossibilidade como fonte prática de energia (acelerador -induzida a fissão de elementos leves permanece muito ineficiente para ser usada desta forma, mesmo hoje). Parte do discurso de Rutherford, leia:

Podemos, nesses processos, obter muito mais energia do que o próton fornecido, mas, em média, não poderíamos esperar obter energia dessa maneira. Era uma forma muito pobre e ineficiente de produzir energia, e quem buscava uma fonte de energia na transformação dos átomos falava de luar. Mas o assunto era cientificamente interessante porque dava informações sobre os átomos.

Itens nomeados em homenagem à vida e obra de Rutherford

Uma estátua de um jovem Ernest Rutherford em seu memorial em Brightwater, Nova Zelândia .
Descobertas científicas
Instituições
Prêmios
Edifícios
Ruas
De outros

Publicações

  • Radio-activity (1904), [56] 2ª ed. (1905), ISBN  978-1-60355-058-1
  • Transformações radioativas (1906) , ISBN  978-1-60355-054-3
  • Substâncias radioativas e suas radiações (1913)
  • A Estrutura Elétrica da Matéria (1926)
  • A transmutação artificial dos elementos (1933)
  • The Newer Alchemy (1937)

Artigos

Braços

Brasão de Ernest Rutherford
Ernest Rutherford Arms.svg
Notas
Os braços de Ernest Rutherford consistem em:
Crista
A tiara de um barão. Em um elmo enfeitado com as Cores, um kiwi Própria.
Espelho
Per saltire arqueava Gules e Or, dois inescutcheons anulados do primeiro em fess, dentro de cada um uma marta de zibelina.
Apoiadores
Dexter, Hermes Trismegistus (patrono mitológico do conhecimento e alquimistas). Sinistro, um guerreiro Māori.
Lema
Primordia Quaerere Rerum ("Buscar os primeiros princípios das coisas.")

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos

Peerage do Reino Unido
Nova criação Baron Rutherford de Nelson
1931-1937
Extinto
Escritórios acadêmicos
Precedido por
Langworthy Professor
da Universidade de Manchester

1907-1919
Sucedido por