بیوگرافی ارنست رادرفورد؛ اکتشافات پدر فیزیک هسته‌ای جهان

رادرفورد کیست؟

«ارنست رادرفورد»  ۳۰ آگوست ۱۸۷۱ در منطقه روستایی نلسون در نیوزیلند متولد شد. او چهارمین فرزند از ۱۲ فرزند  «جیمز رادرفورد» ، مکانیک، و همسرش  «مارتا تامپسون» ، معلم مدرسه، بود. نام او در اصل  «ارن»  بود اما به‌اشتباه در مدارک رسمی  «ارنست»  ثبت شده بود؛ در خانواده او را ارن صدا می‌کردند.

نشانه‌های نبوغ ارنست از کودکی نمایان بود. او نه‌فقط در تحصیل علوم درخشان بود، بلکه در ورزش، به‌ویژه راگبی، نیز استعداد خارق‌العاده‌ای داشت. وقتی فقط 10 سال داشت، نخستین کتاب علمی خود به نام  مفاهیم اولیه در فیزیک  را خواند و این تجربه شوقی عمیق در او به وجود آورد.

این کتاب خودآموز فیزیک بود که در آن اصول پایه‌ای فیزیک به زبان ساده و با آزمایش‌های خانگی آموزش داده می‌شد. علاقه به علم به‌قدری در ارنست قوی بود که او را وادار کرد آزمایش‌های علمی کتاب را شخصاً و با دقتی فوق‌العاده تکرار کند.

سال ۱۸۸۷، ارنست در 16 سالگی موفق شد اولین بورسیه تحصیلی خود را برای حضور در کالج نلسون به‌ دست بیاورد. او تا ۱۸۸۹ در کالج نلسون تحصیل کرد و توانست با نمره‌های ممتاز فارغ‌التحصیل شود.

تحصیل در دانشگاه کانتربری

پس از دبیرستان، ارنست رادرفورد توانست دوباره یکی از ۱۰ بورسیه تحصیلی ملی را که برای کمک به تحصیل در  کالج   کانتربری  اهدا می‌شد، به‌ دست بیاورد.

در کالج، اساتید فیزیک دانشجویان را ملزم به تحقیقات علمی می‌کردند. رادرفورد تصمیم گرفت روی یکی از آزمایش‌های مرسوم آن دوره کار کند و آن را گسترش دهد. این آزمایش بررسی می‌کرد آهن در فرکانس‌های بسیار بالا از جریان مغناطیسی تبدیل به آهنربا می‌شود یا خیر.

رادرفورد همچنین ۲ دستگاه برای این آزمایش ابداع کرد: مکانیسم ساده‌ای که امکان سوئیچ‌کردن بین ۲ مدار الکتریکی را با فاصله زمانی بسیار کوتاه یک صدهزارم ثانیه فراهم می‌کرد و دیگری آشکارسازی برای ثبت پالس‌های جریان بسیار سریع که بعدها در ساخت گیرنده‌های رادیویی نیز به‌ کار گرفته شد.

سرانجام سال 1893، رادرفورد توانست مدرک کارشناسی خود را به‌عنوان دانشجوی نمونه و محققی برجسته دریافت کند. علاوه‌براین، او در کانتربری در رشته‌های زمین‌شناسی و شیمی نیز تحصیل کرد و سال 1895، توانست در این رشته‌ها مدرک کارشناسی بگیرد.

در سال‌های تحصیل در کانتربری، رادرفورد با  «ماری نیوتن» ، دختر صاحب‌خانه‌اش، آشنا شد. ماری در تعطیلات به دیدار خانواده رادرفورد می‌رفت و آنها نامزد بودند اما تا زمانی که ارنست نمی‌توانست هزینه خانواده را تأمین کند، آنها نمی‌توانستند ازدواج کنند.

اواخر ۱۸۹۴، رادرفورد چند هفته به‌عنوان معلم جایگزین در دبیرستانی پسرانه مشغول به کار شد اما خیلی موفقیت‌آمیز نبود. وقتی ارنست سومین بار هم در به‌دست‌آوردن شغل دائمی به‌عنوان معلم مدرسه شکست خورد، به‌دنبال گزینه‌های دیگر رفت.

ارنست رادرفورد نتایج مطالعاتش را به دانشگاه نیوزیلند ارائه داد تا بتواند بورسیه تحصیلی دیگری بگیرد. سرانجام سال ۱۸۹۵، در ۲۳ سالگی، توانست بورسیه کالج کمبریج را بگیرد و با 3 مدرک از دانشگاه نیوزیلند به‌عنوان محققی برجسته و نوآور در تکنولوژی نیوزیلند را به مقصد انگلستان ترک کرد.

آشنایی رادرفورد با تامسون؛ کالج کمبریج

بورسیه تحصیلی کمبریج به برنده حق انتخاب مؤسسه آموزشی را می‌داد. رادرفورد کار با پروفسور  «جِی.جی. تامسون»  در  آزمایشگاه کاوندیش  کمبریج را انتخاب کرد و اولین دانشجویی بود که بدون مدرک از کمبریج در این آزمایشگاه مشغول پژوهش شد.

رادرفورد از آشکارساز خود که برای جریان‌های گذرای بسیار سریع (IFTO) طراحی کرده بود، در اندازه‌گیری ویژگی‌های دی‌الکتریک عایق‌های الکتریکی بهره برد. او دریافت، حتی باوجود دیواری آجری بین 2 مدار، می‌تواند امواج الکترومغناطیسی را در فاصله چندمتری شناسایی کند. نتایج تحقیقات او روی امواج هرتزی و رادیویی سال 1895 در مقاله‌ای منتشر شد و به‌سرعت شهرت او را در کمبریج افزایش داد.

«رابرت بال» ، مشاور علمی نگهداری فانوس‌های دریایی ایرلند، رادرفورد را تشویق کرد دقت دستگاهش را افزایش دهد تا کشتی‌ها بتوانند فانوس‌های دریایی را در مه تشخیص دهند. رادرفورد حساسیت دستگاه خود را افزایش داد و توانست امواج الکترومغناطیسی را از فاصله چندصد متری شناسایی کند. تامسون که متوجه استعداد فوق‌العاده رادرفورد شده بود، از او دعوت کرد در پژوهش رسانش الکتریکی گازها شرکت کند.

پژوهش رسانش الکتریکی گازها

رادرفورد دریافت می‌تواند با اعمال ولتاژ بالا به گازها که از نظر فیزیکی عایق جریان الکتریکی هستند، آنها را به هادی‌های الکتریکی تبدیل کند. آن زمان،  «ویلیام رونتگن»  پرتو ایکس را به‌تازگی کشف کرده بود و توانایی تصویربرداری از استخوان‌ها با استفاده از فناوری جدید ذهن بسیاری از دانشمندان را مشغول کرده بود. سال 1896 نیز خانواده کوری پرتوهای اتم‌های رادیواکتیو را کشف کردند که آغازی بر علم پرتوزایی است.

رادرفورد به تامسون پیشنهاد کرد از پرتوهای ایکس و پرتوهای رادیواکتیو برای ایجاد رسانایی الکتریکی در گازها استفاده کنند. نتایج این بررسی‌ها به انتشار مقاله‌ای منجر شد که به موضوع  یونیزاسیون اتم‌ها  و جذب ذرات باردار به الکترودهای با قطب مخالف می‌پرداخت.

این یافته‌ها بعدها به تامسون کمک کرد  نسبت بار به جرم الکترون‌ها  را کشف کند که دستاوردی مهم در فهم ساختار اتم و ماهیت الکترون بود.

ارنست رادرفورد و کشف پرتوهای آلفا و بتا

در آن دوران، مرزهای علم رادیواکتیویته به‌سرعت گسترش می‌یافت. ارنست رادرفورد تصمیم گرفت جدی در این حوزه پژوهش کند. او ابتدا روی تابش‌های فرابنفش کار کرد سپس تشعشعات ساطع‌شده از اورانیوم را مطالعه کرد.

سال 1898، رادرفورد دریافت از اتم‌های رادیواکتیو 2 نوع پرتو کاملاً مجزا منتشر می‌شود و آنها را پرتوهای  «آلفا»  و  «بتا»  نامید. او سپس اشعه‌های رادیواکتیو را از میان لایه‌های مختلف فلزی عبور داد و مشاهده کرد لایه‌ای به ضخامت یک‌پانصدم سانتی‌متر پرتوهای بتا را به‌راحتی جذب می‌کنند اما پرتوهای آلفا از لایه عبور می‌کنند. همچنین با قراردادن پرتوها در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی کشف کرد پرتوهای آلفا بار مثبت و پرتوهای بتا بار نفی دارند.

درنهایت سال 1903، رادرفورد نسبت بار به جرم هریک از پرتوها را اندازه گرفت و  ذرات آلفا و بتا  را معرفی کرد. او دریافت نسبت بار به جرم برای ذرات آلفا مشابه هسته اتم هلیوم است؛ فرضیه‌ای که بعدها با آزمایش‌های بیشتر آن را اثبات کرد.

دانشگاه مک‌گیل  و کشف مفهوم نیمه‌عمر

سال 1898، رادرفورد کرسی استادی در دانشگاه مک‌گیل در مونترال کانادا را پذیرفت. در آزمایشگاه‌های مجهز آنجا، او با کمک شیمی‌دان جوانی به نام  «فردریک سودی»  مفاهیم رادیواکتیویته را بررسی کرد.

آنها نشان دادند برخی اتم‌های سنگین پرتوزا (مانند اورانیوم)  خودبه‌خود  پرتوهای آلفا منتشر می‌کنند و به اتم‌های کمی سبک‌تر و از نظر شیمیایی متفاوت (رادون) تبدیل می‌شوند و این فرایند با نرخ ثابتی رخ می‌دهد.

آنها متوجه شدند هر عنصر رادیواکتیو منظم در مدت معینی نیمی از اتم‌های خود را از دست می‌دهد و به عنصر دیگری تجزیه می‌شود. این زمان ثابت که برای هر ماده رادیواکتیو منحصر‌به‌فرد است،  «نیمه‌عمر»  نامیده شد. این کشف رادرفورد را نخستین بار در معرض توجه جهانیان قرار داد.

او سال 1900 عضو انجمن سلطنتی کانادا و سال 1903 عضو انجمن سلطنتی لندن شد و سال 1904، اولین کتابش با عنوان  «رادیواکتیویته»  را منتشر کرد.

ازدواج با ماری نیوتن

رادرفورد سال 1900 به نیوزیلند بازگشت تا با ماری نیوتون ازدواج کند. آنها 28 ژوئن 1900 ازدواج کردند و تنها فرزندشان،  «ایلین» ، سال 1901 به دنیا آمد.

دانشگاه منچستر و دریافت جایزه نوبل شیمی

شهرت روزافزون رادرفورد در جوامع علمی سبب شد دانشگاه‌ها چندین کرسی استادی به او پیشنهاد بدهند. ۱۹۰۷، او به انگلستان بازگشت تا استاد دانشگاه منچستر شود. رادرفورد آنجا چیزی را که مدت‌ها به آن مظنون بود، ثابت کرد:

ذره آلفا همان اتم هلیومی است که الکترون‌هایش را از دست داده.

او همراه دستیارش،  «هانس گایگر» ، روشی الکتریکی برای شناسایی ذرات منفرد ساطع‌شده از اتم‌های رادیواکتیو توسعه داد. این دستاورد سرانجام به طراحی دستگاهی انجامید که  آشکارساز گایگر-مولر  شناخته می‌شود.

سال 1908، دستاوردهای او در حوزه رادیواکتیویته و پژوهش‌هایش پیرامون تجزیه عناصر، سرانجام  جایزه نوبل شیمی  را به ارمغان آورد و رادرفورد را در جایگاه یکی از پیشگامان بزرگ علم شیمی و فیزیک رادیواکتیو به جهان معرفی کرد.

ابداع تاریخ‌نگاری رادیومتری

رادرفورد با درک این نکته که سرب محصول نهایی فروپاشی اورانیوم است، پیشنهاد کرد می‌توان با اندازه‌گیری نسبت سرب به اورانیوم و دانستن نرخ فروپاشی اورانیوم به سن تقریبی کانی‌ها و مواد معدنی دست یافت.

این روش راهی برای تعیین سن زمین باز کرد و توانست حداقل عمر پذیرفته‌شده‌ای برای سیاره ما مشخص کند. امروزه تاریخ‌نگاری رادیومتری نمونه‌های زمین‌شناسی به یکی از روش‌های کلیدی و بنیادی در زمین‌شناسی مدرن تبدیل شده است.

آزمایش ورقه طلا و کشف هسته اتم : نظریه رادرفورد

رادرفورد در مک‌گیل مشاهده کرده بود بخشی از پرتوی باریک ذرات آلفا پس از عبور از ورق نازکی از فلز میکا پراکنده می‌شود. این مشاهده ایده‌ای را در ذهن او ایجاد کرد که سرآغاز یکی از مهم‌ترین کشفیات علمی رادرفورد در زمینه ساختار اتم بود.

در منچستر، رادرفورد به دانشجوی جوانی به نام  «ارنست مارسدن»  پیشنهاد داد پروژه‌ای درباره اندازه‌گیری تعداد نسبی ذرات آلفا به‌عنوان تابعی از زاویه پراکندگی آنها انجام دهد. مارسدن با تاباندن پرتوهای آلفا به ورقه نازکی از طلای خالص این آزمایش را آغاز کرد.

او دریافت که بیشتر پرتوهای آلفا بدون انحراف از ورقه نازک طلا عبور کردند؛ بخشی از پرتوها با کمی انحراف از ورقه طلا گذشتند و بخشی از آنها کامل به عقب پراکنده شده و بازتاب کردند. رادرفورد که شگفت‌زده شده بود، بیان کرد:

«این اتفاق مانند این است که گلوله بزرگ جنگی به کاغذی شلیک شود و بازگردد!»

سال 1911، رادرفورد از این آزمایش نتیجه گرفت تقریباً تمام جرم یک اتم –جسمی به‌قدری کوچک که حدود یک‌میلیون از آنها کنار هم لازم است تا به اندازه یک نقطه بشود– در هسته‌ای متمرکز شده که اندازه‌اش هزار بار کوچک‌تر از خود اتم است.

دومین کشف بزرگ رادرفورد،  «مدل اتمی رادرفورد» ، به جهان معرفی شد و شهرتی پایدار برای او به‌دنبال داشت. در این مدل، هسته اتم در مرکز قرار دارد و الکترون‌ها در اطراف به دور هسته می‌چرخند.

بعدها  «نیلز بور» ، دانشمند جوان دانمارکی که جذب کارهای رادرفورد شده بود، با بهره‌گیری از ایده‌های او مدلی از اتم با مدارهای پایدار ارائه داد. مدل  «رادرفورد-بور»  اکنون در کتاب‌های شیمی و فیزیک مدارس در سراسر جهان تدریس می‌شود و پراکندگی رادرفورد هنوز هم برای بررسی ذرات زیراتمی و لایه‌های اتم‌ها در دستگاه‌های میکروالکترونیک به‌ کار می‌رود.

ارنست رادرفورد و دریافت مقام شوالیه

سال 1914، ارنست رادرفورد به‌ پاس دستاوردهای علمی برجسته‌اش مقام  شوالیه  را به دست آورد و رسماً به جمع نخبگان علمی بریتانیا پیوست. او همچنین سال 1916 موفق به دریافت  مدال هکتور مموریال  از انجمن سلطنتی نیوزیلند شد که افتخاری دیگر به فهرست جوایز او اضافه کرد.

سال 1917، در جریان جنگ جهانی اول، رادرفورد رهبری پروژه‌ای سری را که هدف آن  توسعه روش‌هایی برای شناسایی زیردریایی‌ها   با استفاده از   رادارهای سونار  بود، برعهده گرفت. او به دولت وقت توصیه کرد از دانشمندان جوان برای حل مشکلات جنگ استفاده کند و مهارت و زندگی آنها را در سنگرها هدر ندهد.

شکافت اتم و کشف پروتون : مدل اتمی رادرفورد

اواخر جنگ، رادرفورد به عرصه تحقیقات اتمی بازگشت و گامی به‌سوی کشف بزرگ دیگری برداشت. او سال 1919، اتم‌های نیتروژن را با ذرات آلفا بمباران کرد و مشاهده کرد که ذرات خروجی انرژی بیشتری نسبت به انرژی ذرات آلفای ورودی دارند. همچنین این ذرات نیز مانند ذرات آلفا، دارای بار مثبت هستند.

رادرفورد به‌درستی نتیجه گرفت طبق معادله زیر، این فرایند اتم‌های نیتروژن را به اتم‌های اکسیژن تبدیل کرده و اتم هلیوم تولید شده است.

رادرفورد پیشنهاد داد هسته اتم هیدروژن را می‌توان  بلوک سازنده  سایر هسته‌های اتمی در نظر گرفت. تا سال ۱۹۲۰، تحقیقات پیرامون این ذره‌ جدید ادامه داشت. سرانجام رادرفورد اثبات کرد این ذره بنیادی در واقع یکی از اجزای اساسی هسته همه اتم‌هاست و آن را  «پروتون»  نام‌گذاری کرد.

این کشف او را به نخستین کیمیاگر موفق تاریخ بدل کرد و او اولین کسی بود که عملاً اتم را شکافت. این سومین دستاورد بزرگ علمی او بود که جایگاه جاودانه‌ای برایش در دنیای علم به ارمغان آورد.

پیش‌بینی وجود نوترون  در هسته اتم

کشف پروتون زمینه‌ساز کشف ذره بنیادی دیگری شد. رادرفورد دریافت درصورتی‌که هسته اتم‌ها فقط از پروتون تشکیل شده باشد، باتوجه‌به اینکه پروتون‌ها بار مثبت دارند و یکدیگر را دفع می‌کنند، هسته نمی‌تواند پایدار بماند. او نتیجه گرفت باید ذره دیگری نیز در هسته وجود داشته باشد تا این نیروی دافعه را خنثی کند.

سرانجام سال ۱۹۳۲ این پیش‌بینی به کشف نوترون توسط  «جیمز چادویک»  انجامید. (چادویک یکی از شاگردان رادرفورد در آزمایشگاه کاوندیش بود.) کشف نوترون دانش بشر درباره ساختار هسته را به‌طور چشمگیری گسترش داد و به پیشرفت‌های بعدی در فیزیک هسته‌ای انجامید.

همان سال،  «جان کاک‌کرفت»  و  «ارنست والتون»  توانستند با استفاده از پروتون‌ها و شتاب‌دهنده‌های ولتاژ بالا هسته اتم‌های هیدروژن را به سرعت‌های بسیار بالا برسانند و با روش‌های مصنوعی، اتم را کامل بشکافند. این دستاوردها آغاز عصر علم بزرگ را تحت هدایت رادرفورد رقم زد.

سایر خدمات ارنست رادرفورد

رادرفورد خدمات بسیاری به علم، آزمایشگاه و دانشگاه کرد. او برای اعطای امتیازات برابر به زنان در دانشگاه کمبریج مبارزه کرد و وظایف عمومی مختلفی را برعهده گرفت؛ ازجمله حمایت از آزادی بی‌بی‌سی در برابر سانسور دولتی و عضویت در شورای مشورتی عمومی آن.

او همچنین از اعطای بورسیه‌ها به دانشگاه‌های خارجی حمایت کرد. به‌عنوان رئیس شورای مشورتی دپارتمان تحقیقات علمی و صنعتی، به دولت بریتانیا مشاوره علمی می‌داد و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی بسیاری افتتاح کرد.

رادرفورد همچنین به دانشگاه‌های نیوزیلند در انتخاب استادان فیزیک خود مشاوره می‌داد و بسیاری از دانشجویان و کارکنان دانشگاهی نیوزیلندی را برای کار در آزمایشگاهش می‌پذیرفت؛ زیرا می‌دانست آنها در کشور خود امکانات و فرصت‌های علمی کمتری دارند.

رادرفورد یکی از نخستین دانشمندانی بود که دریافت انرژی حاصل از واپاشی رادیواکتیو اتم، میلیون‌ها برابر بیشتر از انرژی پیوندی شیمیایی است. او نخستین فردی بود که باور داشت این انرژی درون تمامی اتم‌ها وجود دارد.

سال 1933، رادرفورد در تأسیس شورای کمک‌های آکادمیک نقش داشت و به‌عنوان رئیس آن انتخاب شد. این شورا به دانشمندانی که به‌دلیل قدرت‌گرفتن « آدولف هیتلر»  در آلمان، از وطن خود رانده شده بودند، کمک می‌کرد. او همچنین به دفاع از ممنوعیت استفاده بین‌المللی از هواپیما در جنگ‌ها پرداخت.

پایان عمر

ارنست رادرفورد 19 اکتبر 1937 در 66 سالگی درگذشت؛ علت مرگ او تأخیر در عمل جراحی برای درمان فتق نیمه‌خفه بود. خاکستر او در کلیسای وست‌مینستر لندن، زیر سنگ‌فرشی منقوش به نامش به خاک سپرده شد. مدال‌های رادرفورد که احتمالاً بهترین مجموعه مدال‌های اعطاشده به دانشمندی در جهان هستند، به کالج کانتربری اهدا شد.

افتخارات و میراث جاودان

رادرفورد در زندگی خود از کشورهای مختلف جوایز علمی و مدارک افتخاری بسیاری گرفت. ازجمله مهم‌ترین افتخارات او عبارت‌اند از:

• جایزه نوبل شیمی (۱۹۰۸) به‌دلیل تحقیقات او در زمینه تجزیه عناصر و شیمی مواد رادیواکتیو.
• نشان شوالیه (۱۹۱۴) به‌ پاس خدمات علمی او در انگلستان.
• مدال هکتور مموریال (۱۹۱۶) که از سوی انجمن سلطنتی علوم نیوزیلند به او اهدا شد.
• نشان شایستگی (Merit) (1925) که یکی از بالاترین افتخارات بریتانیاست.
• ریاست انجمن سلطنتی لندن (۱۹۲۶-۱۹۳۰) که یکی از معتبرترین انجمن‌های علمی جهان است.
• ریاست مؤسسه فیزیک (۱۹۳۱-۱۹۳۳) در بریتانیا.
• لقب نجیب‌زادگی بارون رادرفورد از کالج نلسون (۱۹۳۱).
• جایزه تی‌کی سیدی (۱۹۳۳) از سوی انجمن سلطنتی علوم نیوزیلند که اولین مدال آن به‌صورت مشترک به او اهدا شد.

علاوه‌براین، ساختمان‌های زیادی در کشورهای مختلف به نام او نام‌گذاری شده‌اند. تصویر چهره او روی تمبرهای 4 کشور سوئد، نیوزیلند، کانادا و اتحاد جماهیر شوروی ظاهر شده است.

سال 1969، عنصر 104 جدول تناوبی به افتخار او  رادرفوردیوم  نام‌گذاری شد. همچنین سال 1991، مکانی به نام Rutherford Origin ساخته شد که نمایشگاه دائمی در فضای باز شامل اطلاعات مربوط به زندگی و کار رادرفورد بود. سال 1992 نیز تصویر او روی اسکناس 100 دلاری جدید نیوزیلند چاپ شد.

خلاصه؛ ارنست رادرفورد که بود؟

ارنست رادرفورد از بزرگ‌ترین دانشمندان تاریخ است که 3 بار درک ما از طبیعت را به‌طور بنیادین تغییر داد. او با کشف ذرات آلفا و بتا، کشف ساختار هسته‌ای اتم و کشف پروتون، پایه‌های فیزیک نوین را بنا نهاد.

او نه‌فقط نابغه‌ای در علم، بلکه مدیری موفق بود که با جذب بهترین پژوهشگران از سراسر جهان آزمایشگاه‌هایی را که در آنها مشغول به کار بود، به اوج رساند. رادرفورد با فروتنی و سخاوتمندی به همکاران و دانشجویان اعتبار می‌داد و همواره به آنها احترام می‌گذاشت. رویکرد محتاطانه‌اش در انتشار آثار و انسان‌دوستی او باعث شد احترامی جهانی کسب کند و نامش هم به‌عنوان دانشمند هم انسانی بزرگ گرامی بماند.