Ernest Rutherford – człowiek, który zajrzał do środka atomu

Gdyby ktoś powiedział Ernestowi Rutherfordowi, że jeden z najważniejszych eksperymentów XX wieku będzie polegał na strzelaniu mikroskopijnymi cząstkami w kawałek niezwykle cienkiej złotej folii, prawdopodobnie nie uznałby tego za szczególnie dziwne. Fizyka eksperymentalna bywa bowiem sztuką zadawania naturze bardzo prostych pytań, a potem przyjmowania do wiadomości odpowiedzi, nawet jeżeli kompletnie nie pasują do tego, co mieliśmy w głowie.

Rutherford urodził się 30 sierpnia 1871 roku w Nowej Zelandii, daleko od europejskich centrów nauki. Pochodził z wielodzietnej rodziny, studiował w Christchurch, a stypendium pozwoliło mu w 1895 roku trafić do Cambridge i laboratorium J.J. Thomsona. Później pracował w Montrealu, Manchesterze i ponownie w Cambridge. Zmarł 19 października 1937 roku, a jego prochy złożono w Opactwie Westminsterskim niedaleko grobu Isaaca Newtona.

Najpierw trzeba było zrozumieć promieniotwórczość

Pod koniec XIX wieku fizycy odkrywali, że materia zachowuje się znacznie mniej przyzwoicie, niż życzyliby sobie autorzy szkolnych podręczników. Rutherford wykazał, że promieniowanie emitowane przez substancje radioaktywne ma różne rodzaje, które nazwał promieniowaniem alfa i beta, a wspólnie z Frederickiem Soddym doszedł do wniosku jeszcze bardziej niewygodnego dla ówczesnej chemii: pierwiastki promieniotwórcze mogą się rozpadać i przekształcać w inne pierwiastki.

Brzmi dziś zwyczajnie, bo przywykliśmy do pojęć rozpadu promieniotwórczego i okresu półtrwania. Wtedy jednak oznaczało to naruszenie czegoś niemal świętego – przekonania o trwałości pierwiastków chemicznych.

W 1908 roku Rutherford otrzymał za badania nad rozpadem pierwiastków i chemią substancji promieniotwórczych Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. I jest w tym pewna przewrotność, bo człowiek, którego historia zapamiętała przede wszystkim jako jednego z ojców fizyki jądrowej, dostał Nobla właśnie z chemii.

Kilka cząstek, które nie chciały zachowywać się rozsądnie

Najbardziej znana historia zaczęła się w Manchesterze. Hans Geiger i młody Ernest Marsden, pracujący pod kierunkiem Rutherforda, bombardowali bardzo cienką złotą folię cząstkami alfa. Według obowiązującego wówczas modelu J.J. Thomsona dodatni ładunek atomu miał być rozłożony stosunkowo równomiernie, więc cząstki powinny przechodzić przez folię najwyżej z niewielkim odchyleniem.

I prawie wszystkie rzeczywiście przechodziły.

Ale kilka nie.

Niektóre odbijały się pod ogromnym kątem, a pojedyncze wracały niemal w kierunku źródła. Rutherford porównał później zaskoczenie do sytuacji, w której wystrzelony pocisk artyleryjski trafia w bibułkę i odbija się z powrotem.

To właśnie te nieliczne, nieposłuszne cząstki były najważniejsze.

W 1911 roku Rutherford zaproponował jądrowy model atomu: niemal cała masa oraz dodatni ładunek są skupione w niewiarygodnie małym jądrze, podczas gdy ogromna większość objętości atomu jest właściwie pusta. Model Thomsona przestał wystarczać, a fizyka dostała nowy obraz materii.

Największe odkrycie Rutherforda nie polegało więc na tym, że zobaczył jądro atomowe. Zobaczył coś ciekawszego – konsekwencję jego istnienia.

A potem atom naprawdę zaczął się rozpadać

Rutherford na tym oczywiście nie poprzestał. W eksperymentach prowadzonych pod koniec drugiej dekady XX wieku bombardował azot cząstkami alfa i wykazał możliwość przemiany jednego pierwiastka w inny. W 1919 roku opisywał, że z jąder azotu wyrzucane są jądra wodoru, które później określano mianem protonów. Była to pierwsza sztucznie wywołana przemiana jądrowa.

Trzeba przy tym uporządkować popularne uproszczenie. Rutherford bywa przedstawiany jako człowiek, który „rozszczepił atom”. W pewnym sensie zapoczątkował tę drogę i dokonał pierwszej sztucznej transmutacji jądrowej, ale pierwszego w pełni kontrolowanego rozbicia jądra za pomocą przyspieszonych protonów dokonali w 1932 roku John Cockcroft i Ernest Walton, pracujący w kierowanym przez Rutherforda Cavendish Laboratory.

To rozróżnienie jest ważne, bo dobra historia nauki nie potrzebuje legendy kosztem faktów.

Laboratorium jako fabryka uczonych

Rutherford miał jeszcze jedną cechę, o której mówi się rzadziej. Potrafił tworzyć środowisko, w którym inni dokonywali wielkich odkryć. Kierowane przez niego Cavendish Laboratory stało się jednym z najważniejszych miejsc fizyki XX wieku. W 1932 roku James Chadwick odkrył tam neutron, a Cockcroft i Walton przeprowadzili swoje słynne doświadczenie z przemianą jądrową.

I może właśnie tutaj znajduje się druga połowa jego geniuszu. Nie wystarczy mieć dobrą ideę. W nauce trzeba jeszcze stworzyć przestrzeń, w której inni ludzie mogą sprawdzić, czy ta idea wytrzymuje spotkanie z rzeczywistością.

Rutherford robił to wyjątkowo dobrze.

Dlaczego warto o nim pamiętać?

Bo Rutherford pokazuje coś bardzo charakterystycznego dla prawdziwej nauki: najważniejszy wynik eksperymentu bywa tym, którego nie powinno być.

Kilka cząstek alfa zachowało się inaczej, niż przewidywała teoria, więc można było potraktować je jako błąd pomiaru, niedoskonałość aparatury albo irytujący margines statystyczny. Rutherford zrobił coś przeciwnego – potraktował anomalię poważnie.

I właśnie dlatego zmienił nasz obraz materii.

Historia nauki jest pełna efektownych równań, ale czasem postęp zaczyna się znacznie skromniej: ktoś patrzy na wynik eksperymentu i zamiast powiedzieć „to nie pasuje”, pyta: „a co, jeżeli to właśnie jest najważniejsze?”

Ciekawostki

• Ernest Rutherford urodził się 30 sierpnia 1871 roku w Nowej Zelandii, a zmarł 19 października 1937 roku w Cambridge.
• W 1908 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii, choć większość jego największych osiągnięć kojarzymy dziś z fizyką.
• Doświadczenie ze złotą folią wykonywali przede wszystkim Hans Geiger i Ernest Marsden pod kierunkiem Rutherforda – dlatego precyzyjniej mówić także o eksperymencie Geigera-Marsdena.
• Rutherford wykazał, że atom jest w ogromnej części pustą przestrzenią, a dodatni ładunek i większość jego masy skupiają się w bardzo małym jądrze.
• W 1919 roku przeprowadził sztuczną przemianę jądrową azotu, prowadzącą do emisji jąder wodoru – protonów.
• Spoczął w Opactwie Westminsterskim niedaleko Isaaca Newtona i lorda Kelvina.

Józef Michałek – Radio Awangarda