ERNEST RUTHERFORD lebte in der Zeit der raschen Entwicklung der Atomphysik und kann als einer der Pioniere dieses damals neuen Teilgebiets der Physik angesehen werden.
Kindheit, Jugend und Ausbildung
ERNEST RUTHERFORD wurde am 30. August 1871 in Neuseeland als viertes Kind
schottischer Einwanderer geboren. Sein Vater war ein tatkräftiger
Siedler, er erbaute eine der ersten Flachsmühlen in Neuseeland und
begründete einen Holzhandel. Seine Mutter war die erste Lehrerin
auf Neuseeland. RUTHERFORD war ein ausgezeichneter Schüler, der mehrfach
Stipendien erhielt. Seine Interessen waren sehr vielseitig. Nach einem
Studium der Physik in Christchurch (Neuseeland) von 1890 bis 1894 kam
er 1895 als Forschungsstudent an das berühmte Cavendish-Laboratorium
in Cambridge (England) zu dem bekannten Physiker JOSEPH JOHN THOMSON (1856-1940).
Wissenschaftliche Tätigkeit
THOMSON und RUTHERFORD untersuchten in den folgenden Jahren die Ionisation
von Gasen durch die von H. BECQUEREL (1852-1908) entdeckten radioaktiven
Strahlen. Diese Forschungen setzte RUTHERFORD nach seiner Berufung
als Professor für Physik an die Universität Montreal (Kanada)
im Jahre 1898 systematisch fort.
Bald unterschied er nach ihrem unterschiedlichen Durchdringungsvermögen
zwei Arten von Strahlen und nannte sie Alpha- und Beta-Strahlen. Aus weiteren
Untersuchungen radioaktiver Elemente und Halbwertzeitmessungen folgerten
1903 RUTHERFORD und der Engländer F. SODDY (1877-1956), dass beim
Aussenden radioaktiver Strahlung chemische
Elemente ihre Identität ändern, also Kernumwandlungen auftreten.
So schrieben die beiden Wissenschaftler in einer Veröffentlichung
von 1902:
Wir sind so zu der Auffassung gelangt, daß die
Radioaktivität einerseits ein Atomphänomen ist, andererseits
aber auch eine Begleiterscheinung einer chemischen Umwandlung, in der
neue Stoffarten entstehen. Diese beiden Annahmen zwingen uns zu dem Schluß,
daß die Radioaktivität eine Begleiterscheinung einer inneratomaren
chemischen Umwandlung ist.
Wir haben nicht den geringsten Grund anzunehmen, daß das Uran oder
Thorium nicht ebenso homogen ist - homogen im alltäglichen Sinne
des Wortes - wie irgend ein anderes chemisches Element, zumindest solange
vom Wirken uns bekannter Kräfte die Rede ist.
Der Gedanke, daß das chemische Atom in gewissen Fällen spontan zerfällt, wobei Energie freigesetzt wird, ist an sich mit nichts im Widerspruch, was wir vom Atom wissen. Es gehören nämlich die Ursachen, die zum Zerfall führen, vorläufig nicht zu jenen, die wir beeinflussen können, wogegen die allgemein zur Kenntnis genommene Stabilität des chemischen Atoms nur auf solchen Kenntnissen beruht, die wir bezüglich der uns zur Verfügung stehenden Kräfte erworben haben...
Wir können vorläufig nichts über den Mechanismus der Umwandlung aussagen, aber - was auch immer schließlich der endgültig eingenommene Standpunkt sein wird - es scheint die Hoffnung berechtigt zu sein, daß die Radioaktivität uns das Mittel liefert, Kenntnisse über die sich innerhalb des Atoms abspielenden Prozesse zu erlangen.
Das war ein Umsturz im Weltbild der Physik. Galten doch Atome seit ihrer
Entdeckung 100 Jahre zuvor als die kleinsten, unveränderlichen Bausteine
der Stoffe. Erste Zerfallsreihen wurden aufgestellt.
1900 heiratete RUTHERFORD eine Mitstudentin aus Neuseeland, die ihm lebenslang
auch so eine Art Privatsekretärin war.
In den folgenden Jahren untersuchte er die Alphastrahlung
genauer. Nachdem er festgestellt hatte, dass es sich um Teilchen handelte,
maß RUTHERFORD durch Ablenkungsversuche deren spezifische Ladung. Mittels spektroskopischer
Untersuchungen fand er schließlich, dass Alphateilchen aus Helium
bestehen. In einem allerersten Atommodell nahm er nun an, dass alle Atome
aus Heliumatomen und Elektronen bestehen. Für diese Untersuchungen
zur radioaktiven Strahlung erhielt RUTHERFORD 1908 den Nobelpreis für
Chemie.
Das Atommodell von Rutherford
1907 kehrte Rutherford nach England als Professor an die Universität
Manchester zurück. Die Alphateilchen ließen ihn nicht mehr
los. Durch seine Schüler H. GEIGER (1882-1945) und E. MARSDEN (1889-1970)
ließ er dünne Metallfolien mit Alphateilchen beschießen.
Das Ergebnis war verblüffend. Man hatte erwartet, dass fast alle
Teilchen an der viele Atome dicken Folie zurückprallen. Das war aber
nur für ganz wenige Teilchen so. Die meisten wurden nur wenig abgelenkt.
Rutherford zog aus diesem Ergebnis den Schluss, dass der größte
Teil der Masse eines Atoms in einem kleinen Raumbereich konzentriert ist,
dem Atomkern. Dieser ist positiv geladen und wird von Elektronen umkreist.
Damit hatte RUTHERFORD 1911 das Planetenmodell
des Atoms geschaffen, das ein Jahr später von seinem Schüler
NIELS BOHR (1885-1962) zum berühmten bohrschen
Atommodell weiterentwickelt wurde.
Weitere wissenschaftliche und gesellschaftliche
Tätigkeit
1919 wurde RUTHERFORD Nachfolger von J. J. THOMSON als Leiter des Cavendish-Laboratoriums
in Cambridge. In diesem Jahr gelang ihm seine dritte berühmte Entdeckung.
Bei der Bestrahlung von Stickstoff mit Alphateilchen erhielt er Sauerstoff
und hatte damit die erste künstliche
Kernumwandlung beobachtet. In heutiger Schreibweise vollzog sich
dabei folgende Kernumwandlung:
Der Traum der mittelalterlichen Alchemisten, Elemente ineinander
umzuwandeln, war in Erfüllung gegangen, die moderne Kernphysik war
geboren.
RUTHERFORD stellte außerdem fest, dass der ausgesendete Wasserstoffkern
eine höhere Energie hat, als das eingestrahlte Alphateilchen. Bei
dieser Umwandlung wird also Energie frei. Diese Entdeckung verband er
mit der Voraussage eines ungeladenen Elementarteilchens, des Neutrons.
Es wurde von seinem Schüler J. CHADWICK (1891-1974) im Jahre 1932
entdeckt.
Auch außerhalb der Kernphysik hat sich RUTHERFORD Verdienste erworben.
Im Ersten Weltkrieg war er Mitarbeiter der Admiralitätsbehörde
für Forschung. In dieser Zeit stellte er seine kernphysikalischen
Untersuchungen zurück und erforschte mit seinen Mitarbeitern die
Unterwasserakustik, um die Ortung von U-Booten zu ermöglichen.
1930 wurde RUTHERFORD Vorsitzender des staatlichen Ausschusses für
wissenschaftliche und industrielle Forschung. In dieser Funktion und als
Präsident der Royal Society (seit 1925) hat er immer wieder auf die
große Bedeutung wissenschaftlicher Forschung für die Gesellschaft
hingewiesen. 1931 wurde er in den höchsten englischen Adelsstand
erhoben und durfte sich LORD RUTHERFORD OF NELSON nennen.
Wissenschaftlich bis zuletzt aktiv, erlag RUTHERFORD am
19. Oktober 1937 den Folgen einer Operation. Der russische Physiker P.
KAPIZA, der mehrere Jahre bei RUTHERFORD gearbeitet hatte, schrieb in
seinem Nachruf:
"In der Wissenschaftsgeschichte ist es schwierig,
einen anderen Fall zu finden, daß ein einzelner Wissenschaftler
einen solch großen Einfluß auf die Entwicklung der Wissenschaft
hatte...Ich bin sicher, daß in allen Ländern Wissenschaftler
nicht nur deshalb Rutherfords Tod beklagen, weil er der größte
Experimentalphysiker seit Faraday war, sondern auch, weil sie einen Lehrer
und Freund verloren haben."