Ernest Rutherford (0)

Ernest Rutherford

Referaat

Kris Härsing
12b
Tallinna Lilleküla Gümnaasium

Sisukord

Referaat 1
Sisukord 2
Elulugu 3
Avastused 6
Aatomi tuum 6
Radioaktiivsus 7
Elementide transmutatsioon 8
Neutroni teooria 8
Rutherfordi tagasihajumise spektromeetria (RBS) 8
Kokkuvõte 9
Kasutatud materjalid: 10

Elulugu

Ernest Rutherford, tuntud ka kui Lord Rutherford või esimene Nelsoni parun Rutherford elas aastatel 1871-1937. Ta sündis 30. augustil 1871. aastal Uus- Meremaal . Tema vanemad olid enne tema sündi emigreerunud Uus- Meremaale ning pidasid seal farmi. Isa James oli algselt pärit Šotimaalt ning töötanud seal ratassepana, ema Martha oli olnud kooliõpetaja Inglismaal. Ernest Rutherford sündis neljandana 12-lapselises peres. Huvitav fakt on see, et tema nime registreerides tehti kirjaviga ning algselt oli tema sünnitunnistuses kirjas Earnest (ing. k. siiras, sihikindel, tõsimeelne).
Juba noores eas ilmutas Ernest taibukust, olles osav matemaatikas ning ka teistes reaalainetes. Põhikoolis käis Rutherford riigikoolis, gümaasiumi lõpetas Nelsoni Kolledžis ning seejärel sai stipendiumi, et õppida Uus- Meremaa Ülikooli alla kuuluvas Canterbury Kolledžis. Ta oli aktiivne ka koolivälistes tegevustes, näiteks oli ta väitlusklubi president . 1893. aastal lõpetas Rutherford magistrikraadiga matemaatika ja füüsika teaduskonna. Ta jätkas veel kaks aastat teadustööd samas ülikoolis ning siis otsustas minna edasi õppima Inglismaale Cambridge ’i Ülikooli. Seal hakkas Rutherford oma tolleaegse õpetaja J.J. Thompsoni soovitusel lähemalt uurima sel ajal veel suhteliselt uudset valdkonda – radioaktiivsust.
1898 . aastal pakuti Rutherfordile McGilli Ülikoolis Montrealis, Kanadas füüsika teaduskonna juhataja kohta, mille ta vastu võttis. Tema sealne töö teenis talle ka Nobeli preemia keemias. McGilli Ülikoolis tegi Rutherford koostööd Frederick Soddyga, kellega ta uuris osakeste transmutatsiooni ning radioaktiivse kiirguse mõju osakestele.
1900. aastal abiellus Rutherford Mary Georgina Newtoniga, nad said ka ühe tütre, Eileen Mary. Kuid oma elu oli Rutherford siiski pühendanud teadusele. 1907. aastal naasis ta Inglismaale, kus hakkas tööle Manchesteri Ülikoolis füüsika professorina. Ta tegi koostööd Hans Geigeri , Ernest Marsdeni, Niels Bohri ja James Chadwickiga. Seal viis Rutherford läbi ka oma kõige kuulsama katse, kus tõestas aatomi tuuma olemasolu. Eksperimenti tuntakse Rutherfordi katse, Geiger-Marsdeni katse ja Kuldlehe katse nime all, kuid just Rutherfordi tõlgendus sellele viis uue aatomimudeli tekkeni.
Mitmed Rutherfordi õpilased ja kolleegid tegid samuti suuri avastusi ning mõned neist said isegi Nobeli preemia, näiteks Chadwick, Blackett, Cockcroft, Walton. Rutherfordi töökaaslased on öelnud, et enamik teadustöid ning eksperimente , mis tõid läbimurde, algatati Rutherfordi eestvedamisel.
Rutherford avaldas ka mitmeid raamatud: “Radioaktiivsus” ( 1904 ), “Radioaktiivsed transformatsioonid” (1906), “Aine elektriline struktuur” (1926), “Elementide kunstlik transmutatsioon” (1933), “Uuem alkeemia ” (1937).
1914. aastal löödi Rutherford rüütliks ning kaks aastat hiljem pärjati ta Hectori mälestusmedaliga. Silmapaistvamate aumärkide hulka kuulusid veel Rumfordi (1905), Matteucci (1913), Copley Medalid (1922) ja aastal Teenete Orden (1925). Samuti oli Rutherfordil audoktorikraad mitmetest tunnustatud ülikoolidest üle maailma, teiste hulgas Yale’i, Oxfordi, Cambridge’i, Melbourne’i, Glasgow ’, Liverpooli, Toronto ja Pennsylvania Ülikoolist. 1931. aastal sai ta Nelsoni esimese paruni tiitli .
Ernest Rutherford suri songa operatsiooni tagajärjel 19. oktoobril 1937. Briti tolleaegsete seaduste järgi nõudis paruni staatus, et teda opereeriks tunnustatud kirurg , kuid sellise kirurgi otsimine võttis aega ning viivitus maksis Rutherfordile tema elu. Tema tuhk on maetud Westminster Abbeysse Sir Isaac Newtoni, Sir Joseph John Thomsoni ja Lord Kelvini kõrvale.
Rutherfordi järgi on nime saanud paljud erinevad asjad ja objektid. Näiteks eksisteerib keemiline element nimega rutherfordium, lühendiga Rf, mis on perioodilisustabelis esimene uranoid ning mille järjekorranumber on 104. Varem tunti seda elementi ka kurtšatooviumi nime all. Samuti on tema järgi nime saanud paljud erinevad õppeasutused, laboratooriumid ja tänavad. Peale selle leidub Kuul ja Marsil Rutherfordi kraater ning tema pilt ehib Uus-Meremaa 100-dollarilist rahatähte.

Avastused

Aatomi tuum

Ernest Rutherfordi peetakse üheks tuumafüüsika rajajatest, sest just tema katsele põhinedes koostati tänapäevane aatomimudel.
Rutherford võttis aluseks Thompsoni aatomimudeli, mida on võrreldud rosinakukliga – positiivselt laetud aines ehk taignas paiknevad negatiivselt laetud elektronid nagu rosinad. Rutherford viis läbi katse, kus pommitas kuldlehte alfaosakestega (kahest positiivse laenguga prootonist ja kahest neutronist koosnev heeliumi tuum). Kõigi eelduste kohaselt oleks pidanud alfaosakesed kuldlehe läbima seejuures kergelt suunda muutes, kuid enamus osakesi läbis kuldlehe trajektoori muutmata, samas kui mõne osakese trajektoor muutus drastiliselt ning mõni osake isegi põrkas tagasi. Sellest tegi Rutherford järelduse, et enamik aatomimassist on kogunenud ühte väiksesse punkti – tuuma. Siis võetigi kasutusele planetaarne aatomimudel.
Planetaarset aatomimudelit võib võrrelda päikesesüsteemiga, kus aatomi tuum on päike ja elektronid selle ümber tiirlevad planeedid . Kuigi ka selles mudelis leidus vastuolusid, see ei selgitanud aatomite püsivust. Elektronid liiguvad pidevalt kiirendusega ning kaotavad seetõttu energiat ja peaksid tuumale kukkuma, kuid ei kuku, aatomid on püsivad. Need ebaseaduspärasused seletas ära Niels Bohr oma postulaatidega:

• Elektron võib viibida vaid kindlaltel orbiitidel, kus ta energiat ei kiirga.
  
• Üleminekul ühelt orbiidilt teisele elektron kas neelab või kiirgab ühe kvandi .
  
• Aatom võib olla ainult kindlate energiaväärtustega.
  

Järeldada või sellest aga seda, et klassikalise elektrodümnaamika seadused ei kehti aatomisisestele protsessidele.

Radioaktiivsus

Rutherford uuris koos F.Soddyga radioaktiivsust ja radioaktiivse kiirguse mõju erinevatele keemilistele elementidele. Kõigepealt avastas Rutherford, et radioaktiivne kiirgus põhjustab osakeste transmutatsioone. Siis tegi Rutherford lihtsa, ent geniaalse katse abil kindlaks, et alfaosakesed on heeliumi aatomid. Rutherford võttis suletud toru, mille mõrlemas otsas olid metallist elektroodid ning paigutas selle kõrvale aine, mis kiirgab alfaosakesi ( radoon ). Mõne päeva möödudes märkas Rutherford, et elektroodide vahel on kõrge pinge ning veendus, et torus olid heeliumi aatomid.
Samuti tuvastas Rutherford, et on kolme tüüpi radioaktiivseid laineid ning andis nimed alfa-, beeta- ja gammakiirgusele. Samuti defineeris ta nende kiirguste erinevused. Gammakiirgus , mis on kõige lühema lainepikkusega ja seega suurima sagedusega on neist kõie ohtlikum ja läbistavam. Gammakiirgus koosneb gammakvantidest ehk suure energiaga footonitest ning tekib näiteks tuumaprotsessides või elementaarosakeste annihileerumisel. Beetakiirgus on beetaosakestest koosnev ioniseeriv radioaktiivne kiirgus, mis tekib beetalagunemisel. Beetakiirguse läbimisvõime on umbes sada korda suurem kui alfakiirgusel, kuid palju väiksem kui gammakiirgusel. Beetakiirguse peatamiseks on vaja õhukest metall -lehte. Kõige ohutum neist kolmest on alfakiirgus, mis tekib tuumareaktsioonide tulemusel ja koosneb alfaosakestest.

Elementide transmutatsioon

1919. aastal sai Rutherfordist esimene inimene, kes muundas tuumareaktsiooni kaudu ühe elemendi teiseks. Ta lagundas lämmastiku alfaosakeste toimel hapnikuks ning protsessi käigus eradus prootone: 14N + α → 17O + p. Hiljem küll tõestas Blackett, et selle protsessi käigus muundus lämmastik hapniku isotoobiks, kuid siiski oli Rutherford esimene, kes sai hakkama keemilise elemendi transmutatsiooniga.

Neutroni teooria

Rutherfordil oli ka teooria, et eksisteerivad neutronid , sest miski peab ju tasakaalustama prootonite positiivsete laengute tõukejõudu. Selle teooria aga tõestas 1932. aastal James Chadwick, kes sai selle eest ka 1935. aastal Nobeli preemia.

Rutherfordi tagasihajumise spektromeetria (RBS)

Tegemist on uurimismeetodiga (sama, mille käigus avastas Rutherford aatomi tuuma olemasolu), kus mõõdetakse objektilt tagasipeegeldunud alfaosakeste energiat. Osakeste energia sõltub aatomitest, millelt nad tagasi hajuvad, sügavusest, kus need aatomid asuvad ja hajumisnurgast. Seega saab RBS-I kasutada objekti pinnalähedase ala elementaalanalüüsiks. Selle meetodi plussid: ei lõhu objekti, ka õhukeste kilede paksust ja koostist saab mõõta, elementide konsentratsiooni saab mõõta, kristallides saab kindlaks teha lisandite paiknemist ja saab hinnata kristallide kvaliteeti. Selle meetodi miinused: kuigi koostist saab analüüsida, ei saa infot keemiliste sidemete kohta, vilets ruumiline lahutus , vilets masside lahutusvõime raskete elementidele, vilets tundlikkus kergetele elementidele.
Peale kõigi muude avastuste oli Rutherfordi uurimustöö esimeste tuumarelvade arendamise ja loomise aluseks.

Kokkuvõte

Ernest Rutherfordi võib tõepoolest nimetada tuumafüüsika isaks, sest just tema avastas aatomi tuuma ning pani seega aluse tuumafüüsikale ja kogu edasisele uurimustööle selles valdkonnas. Samuti on ta teinud palju tänuväärset uurimustööd radioaktiivsusega.

Kasutatud materjalid:

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/R/Rutherford_Ernest.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford
http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1908/rutherford-bio.html
http://et.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford
http://staff.ttu.ee/~krustok/Uurimismeetodid/Rutherfordi%20tagasihajumise%20spektroskoopia%20(RBS) .pdf
http://et.wikipedia.org/wiki/Alfakiirgus
http://et.wikipedia.org/wiki/Beetakiirgus
http://et.wikipedia.org/wiki/Gammakiirgus
10