30. srpna 1871 – 19. října 1937
anglický fyzik

Ernest Rutherford se narodil v malé vesnici Spring Grove, blízko města Nelson na Novém Zélandu, jako druhý syn a současně čtvrtý z celkem dvanácti dětí Jamese a Marthy Rutherfordových. Rutherfordův otec pocházel ze Skotska a na Nový Zéland přijel v roce 1843 ve čtyřech letech. Stal se kolářem a strojníkem a později se také věnoval pěstování a zpracování lnu. Martha Rutherfordová, rozená Thompsonová se narodila v Anglii a roku 1855, ve svých třinácti letech, přijela do New Plymouthu. Roku 1860, během války, byla evakuována do Nelsonu. Nebýt války nikdy by se Martha s Jamesem nesetkali. Martha se stala učitelkou ve Spring Grove. Ernest, společně se svými sourozenci, tak měl možnost obdržet výborné školní vzdělání.


Ernest Rutherford.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.

Malý Ernest projevoval už ve škole mimořádné nadání ve všech předmětech, a proto se jeho rodiče rozhodli, poslat ho studovat. Rok po skončení národní školy v roce 1886 se mu napodruhé podařilo získat stipendium na chlapeckou střední školu Nelson College. Už v této době se začalo projevovat jeho nadání nejen pro matematiku, ale i pro sport – hrál rugby. Za dva roky Nelson College absolvoval a byl přijat na novozélandskou univerzitu v Christchurch (Univerzity of New Zealand). Bohužel nedosáhl na stipendium, které díky finanční situaci rodiny bylo pro něj nezbytné. Studium matematiky a fyziky začal až následující rok, kdy se mu podařilo stipendium získat. Patřil mezi nejlepší studenty. V roce 1892 zakončil studium bakalaureátem (B. A.) a jako jediný z Nového Zélandu získal roční stipendium, které mu umožnilo přidat k matematice ještě fyzikální předměty. V rámci studia se pustil do experimentování v tehdy aktuální problematice – zopakoval všechny experimenty s elektromagnetickými vlnami Heinricha Hertze. Za rok obhájil dizertaci (M. A.), kde shrnul tyto experimenty a přidal ještě výsledky dalšího studia. Díky svým vynikajícím výsledků mohl na univerzitě strávit ještě jeden mimořádný rok. Během této doby zkonstruoval funkční detektor elektromagnetických vln založený na jeho magnetizačních účincích. Jeho přístroj sice sloužil jen v laboratoři, ale jednalo se unikátní zařízení, které zatím pomaloučku nezávisle vznikalo také u Alexandra Popova a Guglielma Marconiho. Po roce Univerzity fo New Zealand ukončil třetím titulem (B. Sc.) a začal si hledat práci. Působil jako pomocný učitel, vrátil se na rodinnou farmu a třikrát neúspěšně žádal o anglické stipendium Prince manžela Alberta s názvem Exhibition Science Scholarship. Nakonec v roce 1851 první uchazeč stipendium odmítl a čtyřiadvacetiletý Ernest Rutherford mohl v roce 1895 opustit Nový Zéland a vydat se do Anglie.


Rodný domek Ernesta Rutherforda v Spring Grove.
Zdroj: http://ketetasman.peoplesnetworknz.info. Under Creative Commons.

Začátek kariéry

Rutherfordovi se podařilo dostat se do Cavendishovy laboratoře v Cambridgi pod vedením Josepha Johna Thomsona, tehdy největšího odborníka na elektromagnetické záření. Tady úspěšně pokračoval ve výzkumu radiových vln, ale když Marconi dosáhl lepších výsledků, tak přešel k právě objevenému rentgenovému záření. Již první publikací na toto téma si získal uznání a slávu ve vědeckých kruzích. Roku 1896 Henri Becquerel objevil, že uranové soli vysílají neviditelné záření, které působí na fotografickou desku a ionizuje vzduch. Rutherforda nový problém velmi zaujal a roku 1897 rozlišil podle pronikavosti dva druhy radioaktivního záření, snadněji absorbovatelné záření alfa a pronikavější záření beta. Zjistil odklon záření alfa a beta v magnetickém a elektrickém poli. Původně dvouleté stipendium bylo o rok prodlouženo a pak mu byla nabídnuta další finanční podpora. Rutherford se chtěl ale oženit, proto hledal trvalejší zaměstnání. I přes jeho nízký věk se mu podařilo získat profesuru na McGillově univerzitě v Montrealu.

Radioaktivní záření

Do Kanady odjel roku 1897. I když pracoval na malé zámořské univerzitě, měl skvěle vybavenou laboratoř. Roku 1900 Rutherford zjistil, že nejaktivnější prvek není samotné rádium, ale radioaktivní plyn vznikající v důsledku rozpadu rádia, který se dnes nazývá radon. Spolu s Fredericem Soddym přezkoumali vlastnosti tohoto plynu a zjistili, že svými vlastnostmi se podobá vzácným plynům. Tak byla poprvé objevená samovolná přeměna jednoho chemického prvku v jiný, a byl objeven nestálý prvek radon.

Dále zjistili, že radioaktivita je atomárním jevem, jehož podstatou je nestabilita atomů některých prvků, které se samovolně přeměňují na jiné za současné emise radioaktivního záření. Tyto objevy byly zprvu radikálně vědeckou veřejností odmítnuty, ale Rutherford a Soddy měli veškeré důkazy – experimentální i teoretické. Bertram Boltwood uspořádal všechny radioelementy do skupin a získal tak tři rozpadové řady končící stabilním olovem. Na základě této práce navrhl Rutherford metodiku radioaktivního datování.

Když v roce 1904 William Ramsay a Frederic Soddy zpozorovali nápadný výskyt helia při radioaktivních sloučeninách rádia, Rutherford vyslovil domněnku, že helium se tvoří z rádia, což i roku 1909 spolu s Roydsem experimentálně potvrdil. Skleněnou trubičku z tenkých stěn naplnili radonem, jako zdrojem částic alfa. Tloušťka stěn byla asi 0,01 mm, většina částic alfa jimi prošla. Atomy radonu s menší kinetickou energií stěnami difundovat nemohly. Tato rourka byla obklopena ještě širší trubicí, ke které přitavili výbojovou trubici s elektrodami. Částice alfa hromadící se v širší trubici se neutralizovaly na atomy helia, které se stlačením přemístily do kapilární výbojové trubice. Po šesti dnech při elektrickém výboji ve vyzařovaném světle zjistili spektrální čáry helia. Tím bylo dokázáno, že částice alfa jsou ionty, tj. jádra helia.

Fyzikální katedra v Montrealu se za Rutherfordova vedení stala vyhledávaným a uznávaným pracovištěm, kterým prošla řada významných fyziků (např. Otto Hahn). Přesto Rutherfordovi chyběla spolupráce s evropskými vědci. V roce 1906 získal nabídku na vedení katedry a laboratoře na Viktoriině univerzitě v Manchestru.

Model atomu

Roku 1907 se Rutherford přestěhoval zpět do anglického Manchesteru. Jeho kanadská práce měla ve světě veliký ohlas, proto za ni dostal v roce 1908 Nobelovu cenu překvapivě za chemii, konkrétně za objev rozpadu prvků a za chemii radioaktivních látek. Rutherford vypracoval spolu s Hansem Geigerem metodu, která dovolovala určit počet částic alfa vyletujících z radioaktivního preparátu podle světelných záblesků, způsobených dopadajícími částicemi alfa na luminiskující látku (např. síran zinečnatý). Kromě toho zkonstruovali počítač částic alfa na základě elektrického výboje v plynu, když jím prochází částice alfa. Roku 1910 dal Rutherford svému studentovi Ernestu Marsdenovi za úkol počítat částice alfa přecházející přes tenké kovové fólie (např. ze zlata, stříbra, hliníku) umístěné mezi zdrojem částic alfa a stínidlem. Marsden nejprve detekoval částice, které se od přímého směru téměř neodchylovali. Pak Geiger navrhl, aby zjišťoval i částice, které by se mohly odchýlit o větší úhel. Za dva nebo tři dny se Geigerovi a Marsdenovi podařilo zachytit několik částic, které se odrazily zpět. Byl to velmi nečekaný výsledek.

Podle představy o složení atomu zavedené J. J. Thomsonem, by částice alfa neměly měnit svůj směr při přechodu přes takovéto atomy; podle vyjádření Rutherforda by je prorážely jako střela list papíru. Marsden očekával, že experimentální výsledky Rutherforda překvapí. Badatel byl však připravený i na ty nejneočekávanější výsledky. Pokusy zopakovali a z jejich výsledků o tři týdny později vytvořil nový závěr o struktuře atomu. Všechen kladný náboj atomu musí být soustředěný v jeho středu. Jen v tom případě může být atom vážnou překážkou v cestě částici alfa. Rutherford pokračoval ve výzkumu a v roce 1911 dokončil nový planetární model atomu. Byl si vědom nestability svého modelu, dlouho se jí zabýval, ale pak konstatoval: „Otázku stability předpokládaného atomu nemá v tomto stádiu smysl rozebíratl“. [3]

Podle Rutherforda, atom sestává z kladně nabitého jádra, ve kterém je soustředěná prakticky celá hmota atomu, s průměrem 10–12 až 10–13 cm, tj. 100 000krát menším, než je rozměr celého atomu, a z elektronů se záporným nábojem a poměrně malou hmotou, které se nacházejí v okolí jádra. Aby elektrony nebyly přitáhnuté k jádru v důsledku Coulombových přitažlivých sil, Rutherford musel předpokládat, že obíhají okolo jádra jako planety okolo Slunce. Nedostatky Rutherfordova modelu atomu odstranil Rutherfordův žák, Niels Bohr pomocí Planckovy kvantové domněnky.

V roce 1919 se J. J. Thomson vzdal svého místa vedoucího Cavendischovy laboratoře a uvolněné místo bylo nabídnuto Ernestu Rutherfordovi. Ten nabídku přijal a do Cambridge přijel společně i se svým asistentem z Manchestu Jamesem Chadwickem. V roce 1920 Rutherford na bakeriánské přednášce přišel s myšlenkou, že v jádru může existovat další částice – neutron. Ten pak objevil v roce 1932 James Chadwick. Povaha experimentů požadovala náročnější technické provedení experimentů. Proto do Cavendishovy laboratoře přišli John Cockcroft a Ernest Walton, kteří zkonstruovali lineární urychlovač. V roce 1932 uskutečnili první jadernou umělou přeměnu. Rutherford vždy zastával názor, že dobré experimenty lze dělat “jen za pomoci provázku a pečetního vosku“ [3]. Byl proto ve velmi nemilé situaci, kdy musel shánět prostředky na nová nákladná experimentální zařízení i na nové prostory. Nebyl nadšený z neustálé administrativní práce a nedůstojných žádostí o peníze.

Rutherford založil v Cavendishově laboratoři slavnou školu fyziků, kde se pokračovalo v jeho výzkumech. Jeho žáky byli pozdější přední světoví fyzici, jako již zmínění Niels Bohr, James Chadwick, John Cockcroft, Robert Millikan, Arthur Eddington, Pjotr Kapica a jiní. Niels Bohr o něm prohlásil: „Byl fyzikem s tou nejlepší pověstí. Během života se mu dostalo všech poct, které jsou pro vědce vůbec myslitelné. A přesto zůstal v každém směru prostým člověkem. To, spolu s laskavým zájmem, jenž projevoval o záležitosti svých žáků, bylo zdrojem přátelské atmosféry, kterou kolem sebe vytvářel všude, kde pracoval.“ [2] Rutherford působil dojmem přísného, náročného a strohého šéfa. Zdůrazňoval internacionální charakter vědy. Zastával názor, že pro pokrok vědy je potřebná spolupráce badatelů z celého světa. Dbal na to, aby se v jeho pracích objevila jména všech autorů, kteří k práci přispěli, ať už myšlenkou nebo experimentem. Sám ve vlastních publikovaných pracích uváděl jména všech spolupracovníků, kteří se, i když pouze malým kouskem, na práci podíleli.

V roce 1931 byl povýšen do šlechtického stavu s titulem lord Rutherford of Nelson. Ernest Rutherford zemřel po nevydařeném chirurgickém zákroku u pupeční kýly 19. října 1937 v Camridgi. Jeho nečekaná smrt byla velkou ránou pro celý vědecký svět. Pochovaný je ve Westminsterském opatství vedle Isaaca Newtona a Michaela Faradaye.


Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Použité zdroje

[1] BOREC, T. Dobrý den, pane Ampére. 1. vydání. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1980. ISBN 14–031–81.

[2] BÜHRKE, T. Převratné objevy fyziky od Galileiho k Lise Meitnerové. 1. vydání. Praha: Academia, 1999. 231 s. ISBN 20–200–0743–1.

[3] LACINA, A. Ernest Rutherford – Newton atomové fyziky. Československý časopis pro fyziku, 2012, č. 5–6, svazek 62, 448–458. ISSN 0009–0700.

[4] SODOMKA, L. Kronika Nobelových cen. 1. vydání. Praha: Knižní klub, 2004. ISBN 80–242–1058–4.

Autor textu: 
Mgr. Magda Králová

Rezervace a nákup vstupenek

Recepce

Poradíme Vám s objednáním a nákupem vstupenek.