Καλωσήλθατε στην κεντρική σελίδα του Ε.Κ.Φ.Ε. Καστοριάς !
![]() |
«ΚΟΣΜΟΝ ΤΟΝΔΕ , ΤΟΝ ΑΥΤΟΝ ΑΠΑΝΤΩΝ, ΟΥΤΕ ΤΙΣ ΘΕΩΝ ΟΥΤΕ ΤΙΣ ΑΝΘΡΩΠΩΝ ΕΠΟΙΗΣΕΝ, ΑΛΛ΄ ΗΝ ΑΕΙ ΚΑΙ ΕΣΤΙΝ ΚΑΙ ΕΣΤΑΙ ΠΥΡ ΑΕΙΖΩΟΝ, ΑΠΤΟΜΕΝΟΝ ΜΕΤΡΑ ΚΑΙ ΑΠΟΣΒΕΝΝΥΜΕΝΟΝ ΜΕΤΡΑ» Ηράκλειτος |
|
Ernest Rutherford
Ernest Rutherford
Ο διαπρεπής Βρετανός πυρηνικός φυσικός Έρνεστ Ράδερφορντ (Ernest Rutherford) γεννήθηκε στο Σπρινγκ Γκρόουβ της Νέας Ζηλανδίας το 1871 και πέθανε στο Καίμπριτζ της Αγγλίας ο 1937. Η συμβολή του στην σύγχρονη επιστημονική σκέψη μπορεί να συγκριθεί με εκείνη τού Νεύτωνα (Sir Issaac Newton) και τού Φάραντεϋ (Michael Faraday). Μάλιστα, όπως ο τελευταίος θεωρείται «πατέρας τού ηλεκτρισμού», έτσι κι ο Ράδερφορντ συχνά αποκαλείται «πατέρας των πυρηνικών επιστημών». Τα κύρια σημεία του επιστημονικού έργου του αφορούν στην διερεύνηση τού μηχανισμού της ραδιενεργούς διάσπασης και μεταστοιχείωσης των ραδιενεργών στοιχείων, στην αποκάλυψη της φύσης των σωματιδίων που εκπέμπονται κατά την ραδιενεργό διάσπαση τού ραδίου και, κυρίως, στον χαρακτηρισμό των σωματιδίων άλφα (α) ως πυρήνων ηλίου, στην διατύπωση τού φερώνυμου ατομικού προτύπου και στην πραγματοποίηση των πρώτων τεχνητών διασπάσεων ατομικών πυρήνων (πυρηνικών αντιδράσεων) με την βοήθεια σωματιδίων α. |
|
Στα πανεπιστήμια Μακγκίλ (Mc Gill), Μάντσεστερ (Manchester) και Κέιμπριτζ (Cambridge) καθοδήγησε και ενέπνευσε δύο γενιές φυσικών, ενώ στο Εργαστήριο Κάβεντις (Cavendish) οι «μαθητές» του ανακάλυψαν το φαινόμενο της τεχνητής διάσπασης των πυρήνων από νετρόνια ή από άλλα σωματίδια, προερχόμενα από επιταχυντές σωματιδίων. Χάρη στο πρωτοποριακό επιστημονικό έργο του, ο Ράδερφορντ τιμήθηκε το 1908 με το Βραβείο Νομπέλ Χημείας.
Ο Ράδερφορντ, γιος Άγγλων μεταναστών στην Νέα Ζηλανδία, αφού αποφοίτησε, έχοντας πραγματοποιήσει εξαιρετικές επιδόσεις στην φυσική και στα μαθηματικά, από το Κολλέγιο Καντέρμπουρυ (Canterbury) τού Κράισττσερτς (Christchurch) της Νέας Ζηλανδίας το 1893, παρέμεινε εκεί για έναν ακόμη χρόνο ως ερευνητής, μελετώντας την συμπεριφορά τού σιδήρου μέσα σε υψίσυχνα εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία. Διαπίστωσε τότε ότι είναι δυνατόν να ανιχνεύει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα οποία είχαν προσφάτως ανακαλυφθεί από τον Γερμανό φυσικό Χερτς (Heinrich Hertz), ακόμη και όταν στην πορεία τους παρεμβάλλονται τοίχοι σχετικά μεγάλου πάχους. Χάρη στην εργασία του αυτή, που ανακοινώθηκε με δύο επιστημονικά άρθρα, ο Ράδερφορντ εξασφάλισε μια υποτροφία για την συνέχιση των σπουδών του στην Αγγλία.
Το 1895 ο Ράδερφορντ πήγε στο Κέιμπριτζ, όπου άρχισε να εργάζεται ερευνητικά στο Εργαστήριο Κάβεντις υπό την καθοδήγηση τού καθηγητή της Πειραματικής Φυσικής Τόμσον (Sir J. J. Thomson). Εκεί συνέχισε την εργασία του σχετικά με την ανίχνευση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε μεγάλες σχετικά αποστάσεις, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα του με διάλεξη που έδωσε στην Φυσική Εταιρεία (Physical Society) του Κέιμπριτζ. Τον Δεκέμβριο τού 1895, όταν ο Γερμανός φυσικός Ραίντγκεν (Wilhelm Conrad Rontgen) ανακάλυψε τις ακτίνες Χ, ο Τόμσον ζήτησε από τον Ράδερφορντ να συνεργαστεί μαζί του στα πλαίσια μιας έρευνας σχετικής με τα αποτελέσματα της διέλευσης μιας δέσμης ακτινών Χ μέσα από την μάζα ενός αερίου. Διαπιστώθηκε τότε ότι οι ακτίνες Χ παράγουν σημαντικά ποσά ηλεκτρικώς φορτισμένων σωματιδίων (θετικών και αρνητικών ιόντων), τα οποία ακολούθως επανασυνδέονται προς ηλεκτρικώς ουδέτερα μόρια. Εργαζόμενος ανεξάρτητα, ο Ράδερφορντ επινόησε μια τεχνική μέτρησης της ταχύτητας και τού ρυθμού επανασύνδεσης των ιόντων, που σχηματίζονται κατά τον παραπάνω τρόπο. Τα επιστημονικά άρθρα που δημοσίευσε σχετικά μ' αυτό το θέμα εξακολουθούν να θεωρούνται κλασικά ακόμη και σήμερα.
Το 1896 ο Γάλλος φυσικός Μπεκερέλ (Henri Becquerel) ανακάλυψε ότι το ουράνιο εκπέμπει ακτίνες, οι οποίες μπορεί να προσβάλουν τις φωτογραφικές πλάκες κατά τρόπο ανάλογο με τις ακτίνες Χ. Ο Ράδερφορντ πολύ γρήγορα απέδειξε ότι οι ακτίνες αυτές προκαλούν επίσης και τον ιοντισμό τού αέρα, αλλά διαφέρουν από τις ακτίνες Χ, αφού αποτελούνται από δύο διακεκριμένους τύπους ακτινοβολιών, τις οποίες ονόμασε ακτίνες άλφα και βήτα. Οι πρώτες προκαλούν έντονο ιοντισμό της ύλης, μέσα από την οποία διέρχονται, αλλά απορροφώνται πολύ εύκολα από αυτήν, ενώ οι ακτίνες βήτα επιφέρουν μικρότερης έκτασης ιοντισμό, αλλά παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερη διεισδυτικότητα. Υπέθεσε τότε ότι και οι δύο αυτές ακτινοβολίες θα πρέπει να αποτελούνται από μικροσκοπικά σωματίδια ύλης. Το 1898 ο Ράδερφορντ κατέλαβε την έδρα τού καθηγητή της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Μακγκίλ τού Μόντρεαλ.
Περί τα τέλη τού 19ου αιώνα, πολλοί επιστήμονες πίστευαν ότι δεν υπήρχαν ακόμη πολλά πράγματα να ανακαλυφθούν στον χώρο της φυσικής. Μέσα σε τρία χρόνια, όμως, ο Ράδερφορντ συνέβαλε κατά τρόπο καθοριστικό στην δημιουργία και ανάπτυξη ενός εντελώς νέου επιστημονικού κλάδου: των πυρηνικών επιστημών. Διαπίστωσε γρήγορα ότι το στοιχείο θόριο και οι ενώσεις του διασπώνται, απελευθερώνοντας ένα αέριο, το οποίο με την σειρά του διασπάται, παρέχοντας ένα νέο ραδιενεργό υλικό. Ο Ράδερφορντ, σε συνεργασία μ' έναν νέο τότε χημικό, τον Σόντυ ( Frederick Soddy), ασχολήθηκαν με την μελέτη τριών ραδιενεργών στοιχείων, τού ραδίου, τού θορίου και τού ακτινίου. Το 1902 κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η εκπομπή της ραδιενέργειας είναι μια διαδικασία, κατά την οποία τα άτομα ενός χημικού στοιχείου μετασχηματίζονται αυτομάτως σε άτομα ενός διαφορετικού στοιχείου, το οποίο μπορεί επίσης να είναι ραδιενεργό. Η ερμηνεία αυτή βρήκε αντίθετους πολλούς χημικούς, οι οποίοι πίστευαν στην αφθαρσία της ύλης, ενώ η υπόθεση ότι ορισμένα άτομα είναι δυνατόν να διασπαστούν και να μεταστοιχειωθούν σε άλλα άτομα εξακολουθούσε να μην είναι γι' αυτούς παρά μια δοξασία της αλχημείας.
Ωστόσο, η πρωτοποριακή εργασία τού Ράδερφορντ εκτιμήθηκε από την Βασιλική Εταιρεία, η οποία τον εξέλεξε μέλος της το 1903 και τού απένειμε το μετάλλιο Ρούμφορντ (Rumford) το 1904. Το ίδιο έτος, στο βιβλίο του Ραδιενέργεια (Radio - activity) συνόψισε τα αποτελέσματα των ερευνών του σ' αυτό το αντικείμενο: η ραδιενέργεια δεν επηρεάζεται από τις εξωτερικές συνθήκες, όπως είναι η θερμοκρασία και οι χημικές μεταβολές, η εκπομπή της συνοδεύεται από έκλυση μεγαλύτερων ποσών θερμότητας σε σύγκριση με τις συνήθεις χημικές αντιδράσεις, παράγονται νέα προϊόντα με ρυθμό που βρίσκεται σε ισορροπία με τον ρυθμό διάσπασης των αρχικών στοιχείων, και με εντελώς διαφορετικές από αυτά χημικές ιδιότητες.
Ο Ράδερφορντ, πληθωρικός ερευνητής και με τεράστιες δυνατότητες αυτοσυγκέντρωσης, συνέχισε τις εκπληκτικές ανακαλύψεις του, χρησιμοποιώντας μάλιστα ιδιαίτερα απλές συσκευές. Έτσι, το 1903, απέδειξε ότι οι ακτίνες α είναι δυνατόν να εκτρέπονται από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, ενώ από την διεύθυνση αυτής της εκτροπής συμπέρανε ότι αυτές αποτελούνται από σωματίδια με θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Προσδιόρισε την ταχύτητα τους, όπως και τον λόγο τού ηλεκτρικού φορτίου προς την μάζα τους, με την βοήθεια σειράς πειραμάτων, κατά τα οποία παρέβαλλε στην πορεία των σωματιδίων λεπτά φύλλα μετάλλων, τοποθετημένα πολύ κοντά το ένα στο άλλο (η όλη διάταξη είχε μέγεθος κουτιού σπίρτων). Σε ορισμένα από αυτά τα πειράματα επέβαλλε σε κάθε μεταλλικό φύλλο ηλεκτρικό φορτίο αντίθετο με εκείνο των γειτονικών του, ενώ σε άλλα πειράματα τοποθετούσε το όλο σύστημα των μεταλλικών φύλλων μέσα σ' ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. Και στις δύο περιπτώσεις μετρούσε την ένταση τού ηλεκτρικού ή τού μαγνητικού πεδίου, αντίστοιχα, που ήταν απαραίτητα για να αποτρέπεται η έξοδος σωματιδίων από την άλλη πλευρά της διάταξης.
Ο Ράδερφορντ έγραψε περί τα 80 επιστημονικά άρθρα κατά την διάρκεια της επταετούς παραμονής του στο Μακγκίλ, πραγματοποίησε πολλές δημόσιες ανακοινώσεις, όπως ήταν η σειρά διαλέξεων που έδωσε στο Πανεπιστήμιο τού Γέιλ (Yale) το 1905, ενώ ονομάστηκε επίτιμος καθηγητής σε πολλά πανεπιστήμια. Το 1907 επέστρεψε στην Αγγλία για να καταλάβει θέση καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, όπου συνέχισε το ερευνητικό έργο του σχετικά με τα σωματίδια α. Με την βοήθεια συσκευής, που με αρκετή ευρηματικότητα είχε επινοήσει μαζί με τον βοηθό του Γκάιγκερ (Hans Geiger), απαριθμούσε ένα προς ένα τα σωματίδια, που εκπέμπονται από δεδομένη ποσότητα ραδίου. Συνδυάζοντας το αποτέλεσμα αυτό με τον ρυθμό παραγωγής, τού ηλίου από το ράδιο, όπως αυτός είχε υπολογιστεί από τον ίδιο και από τον Αμερικανό χημικό Μπόλτγουντ (Bertram Borden Boltwood), ο Ράδερφορντ πέτυχε να υπολογίσει τον αριθμό τού Αβογκάντρο (Avogadro) και μάλιστα κατά τον πιο άμεσο τρόπο, με τον οποίο είχε γίνει ο υπολογισμός αυτός μέχρι την εποχή εκείνη. Το 1908, σε συνεργασία με τον μαθητή του Ρόυντς (Thomas D.Royds), απέδειξε ότι το σωματίδιο α είναι στην πραγματικότητα ένας πυρήνας ηλίου. Στο συμπέρασμα αυτό οδηγήθηκε, αφήνοντας τα σωματίδια α να διαφύγουν από ένα γυάλινο δοχείο με λεπτά τοιχώματα σ' ένα άλλο κενό δοχείο, που περιέβαλλε το πρώτο, και διαπιστώνοντας φασματοσκοπικώς ότι το αέριο που συγκεντρωνόταν στο δεύτερο δοχείο ήταν ήλιο. Την ίδια εποχή τιμήθηκε και με το Βραβείο Νομπέλ Χημείας, για τις ερευνητικές εργασίες του σχετικά με τις ραδιενεργούς διασπάσεις ασταθών στοιχείων.
Το 1911 συντελέστηκε η μεγαλύτερη ίσως προσφορά τού Ράδερφορντ στην επιστήμη με την διατύπωση τού ατομικού προτύπου του. Όταν ήταν ακόμη στο Μόντρεαλ, είχε παρατηρήσει ότι κατά την διέλευση ταχύτατα κινουμένων σωματιδίων α μέσα από λεπτά φύλλα μαρμαρυγία εμφανίζονται συγκεχυμένες εικόνες σε φωτογραφικές πλάκες. Αντίθετα, ευκρινέστερες εικόνες λαμβάνονται, όταν δεν παρεμβάλλονται εμπόδια στην πορεία των σωματιδίων. Υπέθεσε τότε ότι τα σωματίδια α εκτρέπονται κατά μικρές γωνίες, όταν διέρχονται πολύ κοντά από τα άτομα τού μαρμαρυγία. Όμως από τους σχετικούς υπολογισμούς ο Ράδερφορντ οδηγήθηκε μάλλον με έκπληξη στο συμπέρασμα ότι, για να προκληθεί εκτροπή σωματιδίων α, που οδεύουν με ταχύτητες της τάξης των 20.000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο (km/s), απαιτείται η επιβολή ηλεκτρικού πεδίου 100.000.000 βολτ ανά εκατοστόμετρο (V/cm). Το παραπάνω φαινόμενο σκέδασης έγινε επίσης αντιληπτό και κατά τις μετρήσεις τού αριθμού των σωματιδίων, που πραγματοποίησε σε συνεργασία με τον Γκάιγκερ. |
|
Ο Ράδερφορντ πρότεινε τότε στον Γκάιγκερ και σ' έναν άλλο μαθητή του, τον Μάρσντεν (Ernest Marsden), να διερευνήσουν κατά πόσον ορισμένα σωματίδια σκεδάζονται προς τα πίσω, δηλαδή εκτρέπονται υπό γωνία μεγαλύτερη των 90°.
Προς μεγάλη τους έκπληξη διαπίστωσαν τότε ότι πολύ λίγα σωματίδια σ' ένα σύνολο 10.000 εκτρέπονται σε τέτοιο βαθμό, ώστε να εξέρχονται από την ίδια πλευρά τού λεπτού φύλλου χρυσού, προς την οποία είχαν προσπέσει.
|
Μετά από ορισμένο αριθμό υπολογισμών, ο Ράδερφορντ κατέληξε ότι το αναγκαίο για την πραγματοποίηση μιας τέτοιας εκτροπής ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε να οφείλεται σ' ένα άτομο τού οποίου πρακτικά το σύνολο της μάζας και τού θετικού ηλεκτρικού φορτίου του είναι συγκεντρωμένο σ' ένα μικρό κεντρικό πυρήνα, διαμέτρου 10.000 περίπου φορές μικρότερης από την διάμετρο τού ίδιου τού ατόμου. Το θετικό ηλεκτρικό φορτίο τού πυρήνα αντισταθμίζεται, σύμφωνα με τον Ράδερφορντ, από το ίσο και αντίθετο φορτίο των ηλεκτρονίων του, που είναι κατά ορισμένο τρόπο διατεταγμένα γύρω του. |
Το 1904, ο Ιάπωνας φυσικός Χαντάρο Ναγκαόκα είχε ήδη προτείνει ένα ατομικό πρότυπο, σύμφωνα με το οποίο τα ηλεκτρόνια περιφέρονται πάνω σε δακτυλίους γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα. Το πρότυπο αυτό, όμως, δεν είχε ιδιαίτερη απήχηση μεταξύ των άλλων επιστημόνων, επειδή σύμφωνα με τις αρχές της κλασικής ηλεκτροδυναμικής, τα ηλεκτρόνια, λόγω της περιφοράς τους, θα πρέπει να χαρακτηρίζονται από κεντρομόλο επιτάχυνση με διεύθυνση προς το κέντρο περιφοράς τους (τον πυρήνα), με συνέπεια, καθώς φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, να ακτινοβολούν ενέργεια. Έτσι, η ακτίνα της τροχιάς τους θα έπρεπε συνεχώς να μειώνεται με συνέπεια να καταλήξουν σχεδόν ακαριαία στον πυρήνα. Η ιδέα αυτή έρχεται σε αντίθεση με τις απόψεις που είχαν διατυπωθεί το 1910 από τον Τόμσον, σύμφωνα με τις οποίες όλα τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε να είναι διατεταγμένα στο εσωτερικό μιας σφαίρας με την διάμετρο τού ατόμου, όπου υφίσταται ομοιόμορφη κατανομή θετικού ηλεκτρικού φορτίου. Σημαντική εξέλιξη δεν υπήρξε παρά μόνο το 1913, όταν ο Δανός φυσικός Ν. Μπορ (Niels Bohr) υποστήριξε ότι τα ηλεκτρόνια, σε αντίθεση με την κλασική ηλεκτροδυναμική, δεν ακτινοβολούν ενέργεια, παρ' όλο που κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα, ενισχύοντας, έτσι, τις απόψεις των Ράδερφορντ και Ναγκαόκα. Η απονομή στον Ράδερφορντ τού τίτλου τού ιππότη το 1914 υπήρξε μια ακόμη αναγνώριση της μεγάλης προσφοράς του στην επιστήμη.
Κατά την διάρκεια τού Α' Παγκόσμιου Πολέμου, ο Ράδερφορντ ανέλαβε να μελετήσει το πρακτικό πρόβλημα της ανίχνευσης των υποβρυχίων με την βοήθεια ακουστικών συστημάτων.
Το 1919 πραγματοποίησε την πρώτη τεχνητή μεταστοιχείωση (πυρηνική αντίδραση), όταν ανακάλυψε ότι κατά τον βομβαρδισμό ενός ατόμου αζώτου από ένα σωματίδιο α παράγεται ένα άτομο οξυγόνου και ένα άτομο υδρογόνου (αντίδραση Ράδερφορντ). Έτσι, ξεκίνησε μια σειρά ερευνητικών προσπαθειών, που οδήγησαν τελικά στην περίοδο της ραγδαίας ανάπτυξης των πυρηνικών επιστημών. Παρ' όλο που η συμβολή του κατά τα τελευταία έτη της σταδιοδρομίας του δεν υπήρξε τόσο πληθωρική όσο στην αρχή, η επιρροή του στους νεώτερους μελετητές ήταν καθοριστική. |
|
Σε διάλεξη, που έδωσε το 1920 στην Βασιλική Εταιρεία, ανέπτυξε τις απόψεις του σχετικά με την ύπαρξη τού νετρονίου και των ισοτόπων τού υδρογόνου και τού ηλίου. Τρία από αυτά τα ισότοπα ανακαλύφθηκαν ακολούθως από ερευνητές τού Εργαστηρίου Κάβεντις.
Η θητεία τού Ράδερφορντ ως προέδρου της Βασιλικής Εταιρείας (1925 -1930) και του Συμβουλίου Ακαδημαϊκής Αρωγής (Academic Assistance Council), το οποίο βοήθησε περισσότερους από 1.000 πρόσφυγες από την Γερμανία, απορρόφησε μεγάλο μέρος από τον χρόνο του. Ωστόσο, προσέφερε όσο ήταν δυνατόν τις επιστημονικές υπηρεσίες του στο Εργαστήριο Κάβεντις, ενθαρρύνοντας και καθοδηγώντας συγχρόνως τους νέους επιστήμονες. Εξακολουθούσε πάντοτε να εξετάζει σε βάθος τα φαινόμενα και να προσπαθεί να τα ερμηνεύει με απλό κατά το δυνατόν τρόπο. Το 1934, όταν ο Φέρμι (Enrico Fermi) στην Ρώμη είχε επιτύχει την διάσπαση πολλών διαφορετικών ατόμων, χρησιμοποιώντας ως βλήματα νετρόνια, ο Ράδερφορντ τού έγραψε για να τον συγχαρεί «επειδή μπόρεσε να ξεφύγει από την θεωρητική φυσική»
Πηγή : Πάπυρος Λαρούς Μπριτάνικα