Ernest Rutherford
Ernest Rutherford, 1º Barão Rutherford de Nelson, OM, FRS, HonFRSE (30 de agosto de 1871 – 19 de outubro de 1937) foi uma Nova Zelândia físico que ficou conhecido como o pai da física nuclear. A Encyclopædia Britannica o considera o maior experimentalista desde Michael Faraday (1791–1867). Além de seu trabalho em sua terra natal, ele 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 diferenciou e nomeou 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 ele recebeu em 1908 "por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química de substâncias radioativas", pelo qual ele foi o primeiro ganhador do Prêmio Nobel da Oceania, e a primeira a realizar a obra premiada no Canadá. Em 1904, foi eleito membro da American Philosophical Society.
Rutherford mudou-se em 1907 para a Universidade Victoria de Manchester (hoje Universidade de Manchester) no Reino Unido, onde ele e Thomas Royds provaram que a radiação alfa é constituída por 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, assim, foi pioneiro no modelo de átomo de Rutherford, por meio de sua descoberta e interpretação do espalhamento de Rutherford pelo ouro. experimento da folha de Hans Geiger e Ernest Marsden. Ele realizou a primeira reação nuclear induzida artificialmente em 1917 em experimentos onde 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, ele nomeou o próton com mais precisão.
Rutherford tornou-se Diretor do Laboratório Cavendish na 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 maneira totalmente controlada foi realizado por alunos trabalhando 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) recebeu seu nome em 1997.
Biografia
Infância e educação
Ernest Rutherford era filho de James Rutherford, um fazendeiro, e sua esposa Martha Thompson, originalmente de Hornchurch, Essex, Inglaterra. James emigrou de Perth, na Escócia, para a Nova Zelândia, "para criar um pouco de linho e muitos filhos". Ernest nasceu em Brightwater, perto de Nelson, Nova Zelândia. Seu primeiro nome foi escrito erroneamente como 'Earnest' quando seu nascimento foi registrado. A mãe de Rutherford, Martha Thompson, era professora.
Ele estudou na Havelock School e depois no Nelson College e ganhou uma bolsa para estudar no Canterbury College, Universidade da Nova Zelândia, onde participou da sociedade de debates e jogou rugby. Depois de obter seu BA, MA e BSc, e fazer dois anos de pesquisa durante os quais 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 pós-graduação no Cavendish Laboratory, University of Cambridge. Ele estava entre os primeiros dos 'aliens' (aqueles sem diploma de Cambridge) autorizados a fazer pesquisas na universidade, sob a liderança de J. J. Thomson, o que despertou ciúmes 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 para a distância em que as ondas eletromagnéticas podem ser detectadas, embora quando apresentou seus resultados na reunião da Associação Britânica em 1896, ele descobriu que havia sido superado por Guglielmo Marconi, que também dava palestras.
Em 1898, Thomson recomendou Rutherford para um cargo na Universidade McGill em Montreal, Canadá. Ele deveria substituir 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), de quem havia ficado noivo antes de deixar a Nova Zelândia; eles se casaram na Igreja Anglicana de São Paulo, Papanui em Christchurch. Eles tiveram uma filha, Eileen Mary (1901–1930), que se casou com o físico Ralph Fowler. Em 1901, Rutherford ganhou 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.
Anos posteriores 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 Hector Memorial. Em 1919, ele retornou ao Cavendish sucedendo J. J. Thomson como professor e diretor do Cavendish. Sob ele, os Prêmios Nobel foram concedidos a James Chadwick pela descoberta do nêutron (em 1932), John Cockcroft e Ernest Walton por um experimento que ficaria conhecido como divisão do átomo usando um acelerador de partículas, e Edward Appleton por demonstrar a existência da ionosfera. Em 1925, Rutherford fez apelos ao 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, atuou como presidente da Royal Society e, posteriormente, 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, Nova Zelândia e 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 primeiros ganhadores da Medalha T. K. Sidey, criada pela Royal Society of New Zealand como um prêmio por pesquisas científicas excepcionais.
Algum tempo antes de sua morte, Rutherford teve uma pequena hérnia, que ele havia negligenciado em consertar, e ela foi estrangulada, fazendo com que ele ficasse gravemente doente. 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 grande honra de ser enterrado na Abadia de Westminster, perto de Isaac Newton e outros ilustres cientistas britânicos, como Charles Darwin.
Pesquisa científica
Em Cambridge, Rutherford começou a trabalhar com J. J. Thomson sobre os efeitos condutivos dos raios X em gases, trabalho que levou à descoberta do elétron que Thomson apresentou ao mundo em 1897. Ouvindo a experiência de Becquerel com o urânio, Rutherford começou a 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 decaísse - sua "meia-vida" (111⁄2 minutos neste caso).
De 1900 a 1903, ele foi acompanhado em McGill pelo jovem químico Frederick Soddy (Prêmio Nobel de Química, 1921), para quem ele colocou o problema de identificar as emanações de tório. Depois de eliminar todas as reações químicas normais, Soddy sugeriu que deveria ser um dos gases inertes, que eles chamaram de thoron (mais tarde descoberto como 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 "Uranium X" de William Crookes e rádio de Marie Curie.
Em 1903, eles publicaram sua "Lei da Mudança Radioativa", para dar conta de 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 ideia dos átomos de substâncias radioativas se quebrando era uma ideia 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 descoberto (mas não nomeado) pelo químico francês Paul Villard em 1900, como uma emissão de rádio, e percebeu que esta observação deve representar algo diferente de seus próprios raios alfa e beta, devido ao seu poder de penetração muito maior. Rutherford, portanto, deu a este 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 desde então, 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 assistida por 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. Ao dividir a carga total produzida pelo número contado, Rutherford concluiu 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 eles disparavam o tubo, o espectro obtido dele mudava, 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.
Existia um mito de longa data, pelo menos desde 1948, estendendo-se 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 até emitiu um selo comemorativo acreditando que a descoberta de nitrogênio para oxigênio pertencia a Rutherford. A partir de 2017, muitas instituições científicas corrigiram suas versões dessa história para indicar que o crédito pela descoberta da reação pertence a Patrick Blackett. Rutherford detectou o próton ejetado em 1919 e o interpretou 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 14N + α → 17O + 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 da folha de ouro
Rutherford realizou seu trabalho mais famoso depois de 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 ao desviar partículas alfa que passavam por um fina folha de ouro. Rutherford foi inspirado a pedir a Geiger e Marsden neste experimento que procurassem partículas alfa com ângulos de deflexão muito altos, de um tipo não esperado de nenhuma teoria da matéria da 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 núcleo carregado muito pequeno, 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 ejetavam um próton, que ele chamou de "átomo de hidrogênio", quando atingido por partículas α (alfa). Esse resultado mostrou a Rutherford que os núcleos de hidrogênio faziam parte dos núcleos de nitrogênio (e, por inferência, provavelmente também de outros núcleos). Tal construção foi suspeitada por muitos anos com base em 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 era conhecido do núcleo que fosse mais leve. Assim, confirmando e estendendo o trabalho de Wilhelm Wien que em 1898 descobriu o próton em correntes 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 Conferência Bakerian de 1920), o que poderia de alguma forma compensar o efeito repelente das cargas positivas dos prótons, causando uma força nuclear atrativa e, assim, evitar que os núcleos se afastem da repulsão entre os prótons. A única alternativa aos nêutrons era a existência de "elétrons nucleares" o que neutralizaria algumas das cargas de prótons no núcleo, já que naquela época já se sabia que os núcleos tinham cerca de duas vezes a massa que poderia ser explicada se fossem simplesmente montados a partir de núcleos de hidrogênio (prótons). Mas como esses elétrons nucleares poderiam estar 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 comigo em minha vida. Foi quase tão incrível como se você disparasse um projétil de 15 polegadas em um pedaço de papel de seda e ele voltasse e o atingisse."
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, ao bombardear o berílio com partículas alfa. Em 1935, Chadwick recebeu o Prêmio Nobel de Física por essa descoberta.
Legado
Rutherford é considerado um dos maiores cientistas da história. Na sessão de abertura do Congresso Indiano de Ciência 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 toque para a linha certa de aproximação a um problema, bem como na simples direção de seus métodos de ataque, [Rutherford] muitas vezes nos lembra de Faraday, mas ele tinha duas grandes vantagens que Faraday não possuía, primeiro, exuberante saúde corporal e energia, e segundo, a oportunidade e capacidade de dirigir um grupo de colegas entusiastas. Ótimo, embora a produção de trabalho de Faraday fosse, parece-me que para combinar o trabalho de Rutherford em quantidade, bem como em qualidade, devemos voltar para Newton. Em alguns aspectos, ele teve mais sorte do que Newton. Rutherford foi sempre o guerreiro feliz – feliz em seu trabalho, feliz em seu resultado, e feliz em seus contatos humanos.
Física nuclear
A pesquisa de Rutherford e o trabalho feito sob ele como diretor de laboratório estabeleceram a estrutura nuclear do átomo e a natureza essencial do decaimento radioativo como um processo nuclear. Patrick Blackett, um pesquisador que trabalha com Rutherford, usando partículas alfa naturais, demonstrou a transmutação nuclear induzida. Mais tarde, a equipe de Rutherford, usando prótons de um acelerador, demonstrou reações nucleares e transmutação induzidas artificialmente. Ele é conhecido como o pai da física nuclear. Rutherford morreu cedo demais para ver a ideia de Leó Szilárd de reações nucleares controladas em cadeia se concretizar. No entanto, um discurso de Rutherford sobre sua transmutação induzida artificialmente em lítio, impresso em 12 de setembro de 1933 no jornal londrino The Times, foi relatado por Szilárd como sua inspiração para pensar na possibilidade de uma reação em cadeia nuclear produtora de energia controlada. Szilard teve essa ideia enquanto passeava por Londres, no mesmo dia.
O discurso de Rutherford tocou no trabalho de 1932 de seus alunos John Cockcroft e Ernest Walton em "divisão" lítio em partículas alfa por bombardeio com prótons de um acelerador de partículas que eles construíram. Rutherford percebeu que a energia liberada dos átomos de lítio divididos era enorme, mas também percebeu que a energia necessária para o acelerador e sua ineficiência essencial em dividir os átomos dessa maneira tornavam o projeto uma impossibilidade como fonte prática de energia (acelerador A fissão induzida de elementos leves permanece muito ineficiente para ser usada dessa maneira, mesmo hoje). O discurso de Rutherford em parte, leia-se:
Podemos nesses processos obter muito mais energia do que o próton fornecido, mas, em média, não poderíamos esperar obter energia desta forma. Era uma maneira muito pobre e ineficiente de produzir energia, e qualquer um que procurasse uma fonte de poder na transformação dos átomos estava falando de luar. Mas o assunto foi cientificamente interessante porque deu uma visão sobre os átomos.
Itens nomeados em homenagem à vida e obra de Rutherford
- Descobrimentos científicos
- O elemento rutherfordium, Rf, Z=104. (1997)
- O rutherford (Rd), uma unidade obsoleta de radioatividade equivalente a um megabecquerel.
- Instituições
- Rutherford Appleton Laboratory, um laboratório de pesquisa científica perto de Didcot, Oxfordshire.
- Rutherford College, Auckland, uma escola em Auckland, Nova Zelândia
- Rutherford College, Kent, uma faculdade na Universidade de Kent em Canterbury, Inglaterra
- Rutherford Institute for Innovation na Universidade de Cambridge
- Rutherford Intermediate School, Wanganui, Nova Zelândia
- Rutherford Hall, um salão de residência na Universidade de Loughborough
- Prémios
- Rutherford Medal, a mais alta medalha de ciência concedida pela Royal Society of New Zealand
- Prêmio Rutherford no Thomas Carr College por excelência em química Victorian Certificate of Education, Austrália.
- Rutherford Memorial Medal é um prêmio para pesquisa nas áreas de física e química pela Royal Society of Canada.
- A Medalha e Prêmio Rutherford é premiada uma vez a cada dois anos pelo Instituto de Física por "pesquisa distinta em física nuclear ou tecnologia nuclear".
- Rutherford Memorial Lecture é uma turnê internacional sob os auspícios da Royal Society criado sob o Rutherford Memorial Scheme em 1952.
- Rutherford Discovery Fellowships são premiados anualmente pela Royal Society of New Zealand
- Edifícios
- Rutherford House, uma pensão no Nelson College
- Rutherford Hotel, o maior hotel de Nelson, que incorpora o Rutherford Cafe e Bar
- O edifício de física e química na Universidade de Canterbury, Nova Zelândia
- Rochester e Rutherford Hall na Universidade de Canterbury, Nova Zelândia
- Rutherford House, o edifício principal do Campus Pipitea da Universidade Victoria de Wellington, originalmente sede do Departamento de Eletricidade da Nova Zelândia, em Wellington, Nova Zelândia.
- Um edifício do moderno Laboratório Cavendish na Universidade de Cambridge
- O Edifício de Física Ernest Rutherford na Universidade McGill, Montreal
- O Coupland Building na Universidade de Manchester, onde Rutherford trabalhou, foi renomeado "The Rutherford Building" em 2006.
- O teatro de palestras de Rutherford no Laboratório Schuster na Universidade de Manchester
- Ruas
- Lord Rutherford Road (a localização de seu berço em Brightwater, Nova Zelândia)
- Rutherford Street, uma grande variedade no centro de Nelson, Nova Zelândia
- Rutherfordstraße, uma rua em Berlim perto do sincrotron BESSY
- Rutherford Close, uma rua residencial em Abingdon, Oxfordshire
- Rutherford Road, no distrito de biotecnologia de Carlsbad, Califórnia
- Rutherford Road, rua comercial/residencial em Vaughan, Ontario, Canadá
- Outros
- Rutherford – Memorial de Pickering, Havelock, Nova Zelândia
- Rutherford Park, um campo desportivo em Nelson, Nova Zelândia
- The Rutherford Memorial no local de seu nascimento em Brightwater, Nova Zelândia
- Sua imagem está no inverso da Nova Zelândia uma nota de cem dólares (desde 1992).
- A Fundação Rutherford, uma confiança de caridade criada pela Royal Society of New Zealand para apoiar a pesquisa em ciência e tecnologia.
- Rutherford House, no Macleans College, Auckland, Nova Zelândia
- Rutherford House, na Hillcrest High School, Hamilton, Nova Zelândia
- Rutherford House, na Rotorua Intermediate School, Rotorua, Nova Zelândia
- Rutherford House, em Rangiora High School
- A cratera Rutherford na Lua e a cratera Rutherford no planeta Marte
- Ernest Rutherford foi o tema de uma peça de Stuart Hoar.
- Do lado do Laboratório Mond no local do Laboratório Cavendish original em Cambridge, há uma gravação na memória de Rutherford na forma de um crocodilo, sendo este o apelido dado por seu comissário, seu colega Peter Kapitza.
- Motor de foguete Rutherford, um motor desenvolvido na Nova Zelândia pelo Rocket Lab e o primeiro a usar o ciclo de alimentação da bomba elétrica.
- Sua imagem é retratada na janela de vidro manchada da capela Presbiteriana no Lindisfarne College em Hastings, Nova Zelândia. A janela, revelada em 2007, é dedicada ao conceito de homens do colégio com conteúdo supremo de caráter, e retrata Rutherford junto com Charles Upham VC e Bar, o conquistador do Monte Everest Edmund Hillary, e o acadêmico e líder Maori John Rangihau como exemplos icônicos.
- O Monte Rutherford, na Nova Zelândia, foi nomeado em 1970 pelo Departamento de Pesquisa Científica e Industrial.
Publicações
- Radioatividade (1904),[61] 2nd ed. (1905), ISBN 978-1-60355-058-1
- Publicações das Comunidades Europeias: para encomendar veja página 6
- Substanzen Radioaktive und ihre Strahlungen. Cambridge: University Press. 1933.
- Radioaktive Substanzen und ihre Strahlungen (em alemão). Leipzig: Akademische Verlaggesellschaft. 1913.
- Substâncias radioativas e suas Radiações (1913)
- A estrutura elétrica da matéria (19)
- A Transmutação Artificial dos Elementos (1933)
- A Nova Alquimia (1937)
Artigos
- "Desintegração dos Elementos Radioactivos" Harper's Monthly Magazine, Janeiro 1904, páginas 279 a 284.