Rutherford, Ernest

Rutherford, ernest (1871-1937), scienziato nato in Nuova Zelanda.

Il lavoro sperimentale di Ernest Rutherford è stato essenziale per gli sviluppi rivoluzionari della fisica atomica del primo Novecento. Nato in Nuova Zelanda, Rutherford arrivò al Cavendish Laboratory presso l'Università di Cambridge, in Inghilterra, nel 1896 per studiare con Joseph John Thomson poco dopo aver conseguito il Master al Canterbury College, Christchurch, in Nuova Zelanda. Lui e Thomson hanno studiato la capacità dei raggi X (recentemente scoperti dal tedesco Wilhelm Conrad Roentgen) di "ionizzare" i gas in particelle caricate positivamente e negativamente e quindi aumentare la capacità dei gas di condurre elettricità. Passando presto alle indagini sulla radioattività, che Antoine-Henri Becquerel (1852-1908) aveva appena scoperto, Rutherford applicò la tecnica della valutazione quantitativa degli effetti di ionizzazione nell'aria circostante le sostanze radioattive: riuscì a identificare due componenti delle emissioni di sostanze radioattive: alfa è stato facilmente assorbito da una lamina sottile, mentre beta penetrato nel foglio.

Nel 1898, Rutherford fu nominato professore di fisica alla McGill University di Montreal, in Canada. Lui e il chimico Frederick Soddy hanno intrapreso studi monumentali sulla radioattività, combinando analisi chimiche con indagini sugli effetti della ionizzazione. Nel 1902 erano convinti che la radioattività implicasse le trasmutazioni di atomi di un elemento in atomi di un altro elemento. L'anno successivo, Rutherford ipotizzò che l'emissione radioattiva si verifica nell'istante in cui un atomo cambia la sua identità elementare. A questo punto, riconoscendo che tre componenti principali potevano costituire queste emissioni - alfa, beta e gamma - si dedicò a identificarle. I beta sembravano chiaramente essere elettroni in rapido movimento (le particelle subatomiche caricate negativamente che Thomson aveva identificato nel 1896 negli studi sugli effetti elettrici nei gas a pressioni molto basse). La gamma sembrava essere una radiazione elettromagnetica ad alta energia. Alpha, ipotizzò Rutherford, era un flusso di ioni di elio caricati positivamente.

Nel 1908, un anno dopo essersi trasferito all'Università di Manchester in Inghilterra, Rutherford stava sfruttando l'emissione alfa in una nuova direzione sperimentale. Sconcertato dagli effetti che sembravano indicare che le molecole d'aria deviavano leggermente le particelle alfa dalle loro direzioni originali, si è imbarcato in un'indagine sistematica di questa "dispersione" orientando i flussi di particelle alfa su lamine metalliche molto sottili e determinando come l'interazione con gli atomi nel foglio ha influenzato il direzione dei movimenti delle particelle alfa. Nel 1911 questo lavoro indicava che una su ottomila particelle alfa veniva deviata di novanta gradi o più dalla lamina molto sottile. La conclusione di Rutherford: gli atomi nel foglio devono essere per lo più spazio vuoto, con un minuscolo volume occupato da un "nucleo" massiccio e altamente carico. Nel 1913, le speculazioni combinate di Rutherford e il danese Niels Bohr (1885-1962) avevano identificato il nucleo come: (1) la componente caricata positivamente di un atomo la cui carica totale determina l'identità elementale dell'atomo, e (2) il sito della radioattività (l'origine delle emissioni alfa, beta e gamma).

L'impatto del lavoro di Rutherford fino al 1914 fu enorme. Aveva determinato cosa fosse la radioattività e aveva rivelato aspetti essenziali della struttura dell'atomo. Le sue scoperte hanno fornito prove impressionanti dell'esistenza degli atomi e hanno contribuito a risolvere una tensione di vecchia data nella scienza fisica tra i concetti di atomo con elemento legando l'identità elementare alla costituzione del nucleo atomico. Inoltre, il suo riconoscimento che l'energia coinvolta nelle trasformazioni radioattive (nucleari) superava di gran lunga l'energia prodotta nelle reazioni chimiche aveva ramificazioni oltre la scienza fisica. Fornì un mezzo per superare quella che era stata una delle barriere più imponenti all'accettazione della teoria evolutiva di Charles Darwin: che con il presunto raffreddamento del sole e della terra nel tempo, la terra non poteva sostenere temperature sostenendo la vita per un tempo abbastanza lungo da aver prodotto tutti i cambiamenti evidenti nella documentazione fossile attraverso l'evoluzione darwiniana. Lo stesso Rutherford stimò già nel 1904 che la quantità significativa di calore generato dalla radioattività nella crosta terrestre avrebbe prolungato l'età terrestre molto più a lungo di quanto si credesse in precedenza. La presunzione di sorgenti radioattive di energia solare e terrestre ha aperto la strada alla rinascita della teoria della selezione naturale di Darwin negli anni '1920.

Rutherford rimase a Manchester fino al 1919, quando succedette a Thomson come capo del Cavendish Laboratory a Cambridge. Là si occupò sempre di più degli studi sulla disintegrazione artificiale dei nuclei atomici - cambiamenti nella struttura nucleare indotti da flussi di particolato ad alta energia. Rutherford aveva avviato questo ramo di ricerca con la sua scoperta nel 1918 che il bombardamento di particelle alfa di azoto gassoso generava nuclei di idrogeno; ha concluso un anno dopo che l'interazione della particella alfa con il nucleo di azoto ha espulso un nucleo di idrogeno dal nucleo di azoto. Questo lavoro portò inesorabilmente agli sviluppi della fisica nucleare degli anni '1920 e '1930 che culminarono con la scoperta della fissione nucleare nel 1938, seguita dallo sforzo febbrile di sfruttarla militarmente.

I periodi di Rutherford alla McGill (1898-1907), Manchester (1907-1919) e Cambridge (1919-1937) corrispondevano a fasi di una carriera scientifica che contribuirono a comprensioni incisive della radioattività (McGill), della fisica atomica (Manchester) e della fisica nucleare (Cambridge). La sua salute era robusta quando morì a seguito di un incidente nel 1937.