«ارنست رادرفورد» (Ernest Rutherford) دانشمند بریتانیایی متولد نیوزیلند به عنوان پدر علم فیزیک هسته‌ای شناخته می‌شود. از مهم‌ترین دستاوردهای وی می‌توان به مفهوم نیمه‌عمر رادیواکتیوی، کشف ذرات پروتون و نوترون، عنصر رادیواکتیو رادون، تابش‌های آلفا و بتا و همچنین کشف هسته اتم اشاره کرد.
زندگی‌نامه و تحصیلات ارنست رادرفورد
بر اساس گزارشی از اقتصاد24، ارنست رادرفورد در ۳۰ اکتبر ۱۸۷۱ در دهکده برایت واتر جنوبی واقع در جزیره نیوزیلند و در یک خانواده بزرگ مهاجر اسکاتلندی به دنیا آمد. پدرش، جیمز رادرفورد، کشاورزی اهل انگلستان و مادرش، مارتا تامسون، معلمی از انگلستان بود.
او چهارمین فرزند از مجموع دوازده فرزند خانواده رادرفورد به شمار می‌رفت. از همان دوران کودکی، استعداد و هوش فوق‌العاده‌اش نمایان بود و به‌خصوص در ورزش‌های راگبی نیز به خوبی درخشید.
اعضای خانواده به شرکت در مراسمات مذهبی اهمیت داده و فرهنگ بالایی داشتند. چنین محیطی باعث شکل‌گیری علاقه‌مندی رادرفورد به علوم در سنین کم شد. او در سن ۱۰ سالگی کتابی مشهور به نام «خواندنی‌های اولیه در فیزیک»، نوشته «بالفور استوارت» را به دست آورد.
کتاب استوارت، به عنوان کتابی خودآموز در زمینه فیزیک، نحوه نمایش اصول پایه فیزیک با استفاده از اشیای ساده خانه مانند سکه و سنگ وزنه را آموزش می‌داد. ارنست به شدت به این کتاب علاقمند شد و تمام تلاش خود را به کار برد تا مفاهیم آن را به‌صورت عملی بررسی و آزمایش کند.
تحصیلات ابتدایی‌اش را در مدرسه هولاک گذراند و سپس به نلسون کالج در شهر کوچک کالج در نیوزیلند منتقل شد که محل تحصیلات دبیرستانش بود. او تحصیلات خود را با کمک یک بورسیه مالی آغاز کرد.
این بورسیه که او نخستین بورسیه‌ای بود که در زندگی‌اش به دست آورد، در سال ۱۸۸۷ و در سن ۱۶ سالگی به او اعطا شد. مقصد بعدی‌اش دانشگاه کانتربری بود که با همین بورسیه به آنجا راه یافت.
ارنست رادرفورد در سال ۱۸۹۳ با نمرات عالی در دروس ریاضی و فیزیک از دانشگاه فارغ‌التحصیل شد و در سال ۱۸۹۵ مدرک کارشناسی در رشته شیمی و زمین‌شناسی از کالج کانتربری دریافت کرد و مدت کوتاهی به عنوان معلم مشغول به کار شد.
رنست رادرفورد؛ غریبه‌ای در دانشگاه کمبریج
این دانشمند از جمله دانشجویانی بود که بدون تحصیل رسمی در دانشگاه کمبریج، توانست بورسیه‌ای تحقیقاتی و مطالعاتی در آزمایشگاه معتبر این دانشگاه را به‌دست آورد. چنین دانشجویانی در آن زمان به عنوان “Aliens” شناخته می‌شدند و حسادت دیگر دانشجویان کمبریج را برمی‌انگیختند.
به هر حال، ارنست در سال ۱۸۹۵ و در ۲۴ سالگی به کمبریج رفت و استادش تامسون به همراه همسرش رز، به گرمی از او استقبال کردند. او تصمیم گرفت که تحصیلات خود را در بریتانیا و در آزمایشگاه جی‌جی تامسون (کوندیش) ادامه دهد.
برنامه دانشگاه کمبریج برای جذب دانشجویان از مراکز دیگر برنامه‌ای نوین بود و رادرفورد جزو نخستین دانشجویان آن محسوب می‌شد. این دانشگاه به دانشجویان دیگر اجازه می‌داد که پس از دو سال تحصیل و اتمام یک پروژه علمی مهم، مدرک این دانشگاه را دریافت کنند.
اختراع مراحل اولیه گیرنده رادیویی
در دوران تحصیلش در نیوزیلند، رادرفورد گیرنده‌ای رادیویی اختراع کرد که قادر به شناسایی امواج رادیویی تا مسافت نیم مایل (حدود ۸۰۰ متر) بود. در آن زمان نبرد بر سر اختراع رادیو به شدت جریان داشت و در نهایت مارکونی ایتالیایی نام خود را به‌عنوان مخترع این اختراع مهم تاریخ ثبت کرد.
با این حال، ارنست هیچ‌گاه رادیو را به عنوان زمینه اصلی تحقیقات خود در نظر نمی‌گرفت. او تمرکز بیشتری بر روی رادیواکتیویته و اثرات اشعه ایکس بر گازها داشت که به تفصیل درباره آنها صحبت خواهیم کرد.
رادرفورد طی فرآیند ساخت گیرنده رادیویی ابتدا تحقیقی انجام داد و ثابت کرد که می‌توان خاصیت آهن‌ربایی را با یک تخلیه نوسانی در آهن ایجاد کرد. یافته‌های او اگرچه به نوعی تکراری به حساب می‌آمد، اما در ادامه تحقیقاتش فهمید که یک سوزن آهن‌ربایی زمانی‌که در میدان مغناطیسی ناشی از جریان متناوب قرار می‌گیرد، خاصیت آهن‌ربایی خود را می‌باخت. این تحقیق نوعی زمینه‌ساز ساخت گیرنده رادیویی شد.
کشف اشعه ایکس
در زمان فعالیت‌های رادرفورد در آزمایشگاه کوندیش، اشعه ایکس به عنوان یک دستاورد تأیید شده از سوی ویلهلم رونتگن معرفی شده بود. در آن دوران، توانایی تصویربرداری از استخوان‌ها با استفاده از فناوری جدید، ذهن بسیاری از دانشمندان را به خود مشغول کرده بود.
آنها به‌طور خاص در جستجوی کشف ماهیت و ساختار اشعه ایکس بودند. تامسون به رادرفورد پیشنهاد داد که تحقیقاتش را در خصوص تأثیر اشعه ایکس بر رسانایی گازها ادامه دهد. تحقیقات او منجر به یکی از مقالات مشهور در حوزه یونی‌سازی شد.
پیشرفت‌های رادرفورد همواره تامسون را شگفت‌زده می‌کرد و او از موفقیت‌های دانشجوی خود بسیار خوشنود بود و از هیچ کمکی برای بهبود مطالعات دریغ نمی‌کرد.
در سال ۱۸۹۸، یک کرسی تدریس فیزیک در دانشگاه مک‌گیل مونترآل کانادا فراهم شد و تامسون بلافاصله رادرفورد را به عنوان دانشجوی ممتاز خود برای تدریس در این کرسی معرفی کرد.
دریافت جایزه نوبل شیمی
رادرفورد در سال ۱۸۹۸ به کانادا رفت تا به عنوان استاد دانشگاه فعالیت‌های تدریسی خود را آغاز کند. او در دانشگاه مک‌گیل به دستاوردهای علمی بزرگی دست یافت و این دستاوردها منجر به دریافت جایزه نوبل شیمی در سال ۱۹۰۸ شد.
توضیحات مربوط به جایزه او به «تحقیقات درباره تجزیه عناصر و مفاهیم شیمیایی مواد رادیواکتیو» مربوط می‌شد. دانشمند نیوزیلندی پس از ۹ سال فعالیت در مک‌گیل به بریتانیا بازگشت تا این بار در دانشگاه منچستر به تدریس فیزیک بپردازد.
تدریس و تحقیقات رادرفورد در دانشگاه منچستر به دستاوردهای مهم تاریخی مرتبط بود و در این دوران وقایع مهمی در زمینه فیزیک به وقوع پیوست. پایان فعالیت‌های علمی او در آزمایشگاه کوندیش کمبریج و با بازنشستگی تامسون همزمان بود.
کشف تابش‌های آلفا و بتا
رادرفورد از سال ۱۸۹۸ تحقیقات جدی خود را در خصوص تابش عنصر اورانیوم آغاز کرد. او دو نوع تابش را کشف کرد که آنها را آلفا و بتا نام نهاد. آزمایشات او شامل تابش اشعه به لایه‌های متعدد فلز بود که منجر به درک بهتر ساختار تابش‌ها شد.
ابتدا، ارنست بیان کرد که ذرات بتا به مراتب بیشتر از اشعه‌های آلفا قدرت نفوذ دارند. بخشی دیگر از آزمایش با تابش در میدان‌های مغناطیسی انجام می‌شد که منجر به درک بار ذرات و تابش‌ها شد. رادرفورد مشاهده کرد که ذرات آلفا باری مثبت دارند.
تحقیقات رادرفورد در زمینه ذرات آلفا و بتا ادامه یافت و او نسبت بار به جرم این ذرات را نیز محاسبه کرد و نتایج جالبی به‌دست آورد. رادرفورد ادعا کرد که ذرات آلفا همان یون‌های هلیوم هستند که بار +۲ دارند.
اصطلاحات آلفا، بتا و گاما که رادرفورد آنها را برای انواع تابش‌های هسته‌ای معرفی کرد، همچنان در مباحث علمی کاربرد دارند. جالب است که تحقیقات او همزمان با کار ماری و پیر کوری انجام می‌شد که در آن سال‌ها عناصر پلونیوم و رادیوم را کشف کردند.
رادرفورد در آن زمان در مورد رقابت علمی در حوزه هسته‌ای گفت: “من همیشه باید مشغول به کار باشم، زیرا همواره افرادی و رقبای زیادی در زمینه فعالیت من حضور دارند. لازم است که دستاوردهای خود را با سرعتی بالا منتشر کنم تا با سرعت علم همگام شوم.” او افزود که در حال حاضر رقابت اصلی در این حوزه با بکرل و خانواده کوری است.
مفهوم نیمه عمر عناصر رادیواکتیو
رادرفورد در سال ۱۹۰۷ مفهوم نیمه‌عمر را برای عناصر رادیواکتیو معرفی کرد. او بر اساس کاهش جرم اتم به واسطه تابش، زمانی را برای رسیدن اتم به نصف مقدار اولیه تعیین کرد. اصطلاح نیمه‌عمر یا Half-Life نیز از سوی رادرفورد به جامعه علمی معرفی شد.
عمر زمین و تاریخ‌نگاری رادیومتری
در تحقیقاتش درباره تابش‌های رادیواکتیو، رادرفورد ادعا کرد که این تابش‌ها در تأمین هلیوم در جو زمین نقش دارند. او پیشنهاد داد که با محاسبه مقدار هلیوم موجود در سنگ‌ها می‌توان عمر آنها را تخمین زد.
رادرفورد یک منبع انرژی مهم را مطرح کرد و گفت که انرژی ناشی از تابش رادیواکتیوی عناصر نیز منبع جدیدی از انرژی به شمار می‌آید. او همچنین مفهوم علم تاریخ‌نگاری رادیومتریک را مطرح کرد.
در این علم، با استفاده از محصولات ناشی از تابش‌های رادیواکتیو، عمر اجسام تخمین زده می‌شود. رادرفورد در این زمینه اظهار داشت: “لرد کلوین محدودیت عمر زمین را با توجه به این که دیگر منبع تازهای از انرژی کشف نشود، مشخص کرد.” او بر این باور بود که بروز منابع جدید انرژی می‌تواند به عواملی هولناک منجر شود که ما امروز به آنها اشاره می‌کنیم، یعنی رادیوم.
کشف هسته اتم
پس از بازگشت به دانشگاه منچستر، رادرفورد به همراه همکارانش، هانس گیگر و ارنست مرسدن، یکی از برجسته‌ترین آزمایش‌ها تاریخ علم را که تحت عنوان آزمایش ورقه طلا معروف شد، اجرا کرد.
در این آزمایش، رادرفورد متوجه شد که تعداد کمتری از ذرات به گیرنده موجود در آزمایشگاه می‌رسند. تنها مانع این ذرات، مقداری هوا بود. او تصور می‌کرد که با توجه به انرژی بالای ذرات آلفا، آنها باید بدون هیچ کاهشی به هدف خود برسند.
از یافته‌های بازتاب اشعه‌های آلفا، رادرفورد مدلی جدید از اتم را ارائه داد که طرح استادش تامسون را به چالش کشید. در مدل او، اتم‌ها به عنوان ذراتی با هسته‌های بسیار کوچک و متراکم شکل گیری می‌یافتند. در عین حال، این مدل و مطالعات بعدی منجر به کشف هسته اتم گردید.
مدل اتمی تامسون که با لقب “کیک کشمشی” یاد می‌شود، اتم را به شکل یک کره تجسم می‌کرد که جرم و بار مثبت به شکل یکنواخت در آن پراکنده شده‌اند. در این مدل، الکترون‌ها درون کره‌ای با بار مثبت حرکت می‌کردند.
مدل اتمی که رادرفورد در آزمایش ورقه طلا پیشنهاد داد، ساختار اتم را با دقت بیشتری تعریف کرد. او تقریباً تمام جرم اتم را در هسته‌ای بسیار ریز و چگال تصور کرد. در مدل او، بخشی گسترده از حجم اتم به فضای خالی اختصاص داشت.
به طوری که می‌توان هسته را تشبیه کرد به مگسی که در یک استادیوم بزرگ پرواز می‌کند و البته جرم اتم به مراتب بیشتر از جرم استادیوم است. در ساختار اتمی رادرفورد، الکترون‌ها در فاصله‌ای معین از هسته گردش دارند و این تصویر شبیه به حرکت سیاره‌ها به دور خورشید است.
رادرفورد برای دستاوردهای اولیه‌اش در زمینه رادیواکتیویته جایزه نوبل را دریافت کرد، اما بزرگ‌ترین دستاورد علمی‌اش کشف هسته اتم و توسعه مدل اتمی جدید می‌باشد.
مدل کوانتومی اتم به نام رادرفورد – بور
نیلز بور، دانشجویی ۲۶ ساله که در سال ۱۹۱۲ اقدام به تحقیقات در آزمایشگاه رادرفورد کرد، از مدل اتمی رادرفورد شگفت‌زده شد. او می‌دانست که توضیح مدل رادرفورد با فیزیک کلاسیک دشواری‌های زیادی دارد.
به طور خاص، فیزیک کلاسیک درکی از تقسیم بار بین هسته مثبت و الکترون‌های چرخان منفی نداشت. در نتیجه تحقیقاتش، او سعی کرد تا مدل رادرفورد را بهتر توضیح دهد و این کوشش به اولین مدل کوانتومی اتم تحت عنوان رادرفورد-بور منجر شد. ارتباط بین رادرفورد و بور همواره صمیمانه بود و آنها ضمن همکاری تحقیقاتی، دوستی خانوادگی نیز داشتند.
نیلز بور درباره رادرفورد می‌گفت: “او فردی بوده که می‌توان به او تکیه کرد. او انضباط زیادی دارد و همواره پرسش‌هایی درباره روش‌های انجام کارها و جزئیات مختلف مطرح می‌کند. رادرفورد انسانی برجسته است و همواره به فعالیت‌های اطرافیان خود توجه می‌کند.”
تحقیق درباره تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر
پس از ارائه مدل اتمی و معرفی مفهوم هسته اتم، تحقیقات رادرفورد در ادامه تابش‌های رادیواکتیو ادامه یافت. برای نخستین‌بار، او توانست معادله تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر را محاسبه کند. در سال ۱۹۱۹، او نیتروژن را با بمباران ذرات آلفا به اکسیژن تبدیل کرد.
کشف ذره پروتون
یکی دیگر از تحقیقات رادرفورد در حوزه هسته اتم به کشف پروتون مربوط می‌شود. زمانی که او در واکنش‌ها هیدروژن را کشف کرد، تحقیقاتش حول هسته هیدروژن قوت گرفت. او بر این باور بود که هسته هیدروژن نیز در این واکنش نقش مهمی دارد و می‌توان آن را به‌عنوان یکی از بلوک‌های سازنده همه هسته‌ها در نظر گرفت.
تحقیقات روی این ذره بنیادی جدید تا سال ۱۹۲۰ ادامه یافت و منجر به نام‌گذاری آن نیز گردید. رادرفورد این ذره را پروتون نامید. پایداری هسته اتم نیز موضوعی بود که رادرفورد را به شدت مشغول کرده بود. او متوجه گردید که در صورت نبودن ذره‌ای خنثی در ساختار اتم، دفع پروتون‌های بار مثبت سبب فروپاشی هسته خواهد شد.
کشف ذره نوترون
در سال ۱۹۲۰، رادرفورد ذره جدیدی بدون بار الکتریکی را تحت نام نوترون معرفی کرد. واژه نوترون از کلمه‌ی “Neutral” (خنثی) مشتق شده است. اوتو هان، یکی از دانشمندان هم‌عصر رادرفورد درباره او می‌گوید: “او فردی مستقیم و جدی بود که نظرات خود را به وضوح بیان می‌کرد.”
علاوه بر این، رادرفورد در مدیریت ظاهری خود نقص‌هایی داشت. انرژی بالای او و عزم راسخش از دیگر ویژگی‌هایش بود و بسیاری از همکاران به دلیل خستگی زیاد از او عقب می‌ماندند.
شوق و اشتیاق رادرفورد بر همه ما تأثیر گذاشت و کار در شب در آزمایشگاه برای او اصلاً عجیب نبود و حتی به یک روال عادی تبدیل گردید. ارنست انسانی شاد و خندان بود که صدای خنده او همیشه در آزمایشگاه به گوش می‌رسید.
زندگی شخصی ارنست رادرفورد
این پدر فیزیک هسته‌ای وقت خود را به طور کامل وقف تحقیقات علمی خود کرده بود و در آن زمان فرصتی برای ازدواج و تأسیس خانواده نیافت. او روزها و شبها در آزمایشگاه خود مشغول بررسی ذرات اتم و نوشتن کتاب و مقالات بود و حتی گاهی هفته‌ها بدون اینکه قدم از آزمایشگاه بیرون بگذارد، به کار خود ادامه می‌داد.
در دوران اقامتش در کریستچرچ با «ماری نیوتن»، دختر صاحبخانه‌اش آشنا شد و به او علاقه‌مند گردید. ارنست رادرفورد در تابستان ۱۹۰۰ و دو سال پس از رفتن به کانادا، به نیوزیلند بازگشت و با ماری جورجینا نیوتن ازدواج کرد.
این زوج یک فرزند به نام ایلین مری داشتند که در سال ۱۹۰۱ متولد شد. متأسفانه دختر آنها در سال ۱۹۳۰ درگذشت و رادرفورد و همسرش به نگهداری از نوه‌های خود پرداختند که همگی به فعالان دانشگاهی تبدیل شدند.
رادرفورد عادت داشت که به صورت مرتب به کارمندان آزمایشگاهش سرکشی کند و فعالیت‌های آنها را به دقت زیر نظر بگیرد. او به مشکلات کارمندان گوش می‌داد و به پیشنهاداتی برای بهبود روند تحقیق مشغول می‌شد.
رادرفورد در بیان مشکلات کارمندان صریح و رک بود. همکارانش هرگز از اظهارات او ناراحت نمی‌شدند زیرا می‌دانستند که نظرات رادرفورد راه ترقی دانش را هموار می‌کند. او به شدت برای تحقیقات همکارانش احترام قائل بود و امتیازهای لازم را به آنها اعطا می‌کرد.
شاگردان ارنست رادرفورد
این دانشمند بریتانیایی که هسته اتم را کشف کرد، شخصیت تأثیرگذاری داشت. وی همچون استادش تامسون، بسیاری از شاگردانش را به کسب جایزه نوبل رساند. از جمله آنها می‌توان به جیمز چادویک، جورج دی هوسی، جان کاک‌رافت، ارنست والتون، پیوتر کپیتسا، سسیل پاول، نیلز بور، اوتو هان، فردریک سادی و ادوارد اپلتون اشاره کرد.
مرگ ارنست رادرفورد
رادرفورد در سال ۱۹۳۷ به دلیل فتق محتقن (نوعی تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) که بر اثر سقوط از درخت در حین هرس آن به وقوع پیوسته بود، درگذشت. در آن دوران، او ۶۶ سال داشت و هنوز سرزنده و پرانرژی بود. خاکستر جسد وی در قبرستان وست‌مینستر کنار دانشمندان بزرگی همچون ایزاک نیوتن، لرد کلوین و چارلز داروین دفن شد.
جوایز و افتخارات ارنست رادرفورد
نقش رادرفورد در شکل‌گیری درک کنونی ما از ماده، از هر شخص دیگری برجسته‌تر است. او به‌روشنی بزرگ‌ترین فیزیکدان تجربی تا آن زمان محسوب می‌شد. ده‌ها انجمن علمی و دانشگاه به او عضویت و درجات دانشگاهی افتخاری اعطا کردند و به او لقب «پدر انرژی هسته‌ای» دادند.
• در سال ۱۹۱۴ به عنوان شوالیه شناخته شد. در جریان جنگ جهانی اول، او به‌عنوان جزء پروژه‌ای کاملاً سری که هدف آن حل معضلات شناسایی زیردریایی‌ها با استفاده از رادارهای سونار بود، مشارکت داشت.
• مدال هکتور مموریال که در سال ۱۹۱۶ به او اهدا شد، از دیگر جوایز اوست.
• رادرفورد نه تنها در تحقیق، بلکه در تأثیر بر جوامع علمی و سیاسی نیز فعالیت داشت. او در سال ۱۹۲۵ از دولت نیوزیلند خواست تا با هدف توسعه تحقیقات و تحصیل در کشور، برنامه‌های بیشتری اجرا کند.
تلاش‌های او به تأسیس دپارتمان تحقیقات صنعتی و علمی نیوزیلند (DSIR) منجر شد. او تا سال ۱۹۳۰ به عنوان مدیر انجمن سلطنتی علوم فعالیت داشت و در شورای کمک به دانشجویان پناهنده نیز مشغول به کار بود، جایی که مساعدت‌هایی به حدود ۱۰۰۰ دانشجوی پناهنده آلمانی ارائه کرد.
• نشان Merit و همچنین نشان نجیب‌زادگی که به بارون رادرفورد نلسون در سال ۱۹۳۱ اعطا شد نیز از افتخارات اوست.
• جایزه تی‌کی سیدی که در سال ۱۹۳۳ از طرف انجمن سلطنتی علوم نیوزیلند تأسیس شد، به‌صورت مشترک نخستین بار به ارنست رادرفورد اعطا گردید. این مدال بالاترین درجه علمی نیوزیلند به شمار می‌آید که به دانشمندان از سوی این انجمن اهدا می‌شود.
• ویژگی‌های ارنست رادرفورد به نام‌های مختلفی در مکان‌ها و عناصر متعددی گرامی داشته شده‌اند. به عنوان مثال، عنصر ۱۰۴ جدول تناوبی به نام رادرفوردیم و همچنین واحد رادیواکتیویته به نام رادرفورد. البته، استفاده از واحد رادرفورد از رده خارج شده و امروزه از مگابکرل استفاده می‌شود.
• مکان‌های مشهوری به نام رادرفورد وجود دارند که شامل آزمایشگاه رادرفورد اپلتون در آکسفوردشایر، کالج رادرفورد در اوکلند نیوزیلند، و مؤسسه تحقیقات و نوآوری رادرفورد در دانشگاه کمبریج و بسیاری از مؤسسات آموزشی دیگر می‌شود.
• انجمن سلطنتی کانادا نیز جایزه‌ای به نام مدال یادبود رادرفورد اختصاص داده است.