Ernest Rutherford

Voor zijn promotie deed Rutherford onderzoek naar de effecten van elektromagnetische golven, geproduceerd door snel alternerende elektrische stromen, op de magnetisatie van ijzer. Tegenstrijdig met de verwachtingen observeerde hij dat het ijzer magnetiseerde in het hoogfrequente elektromagnetische veld. Verder toonde hij aan dat elektromagnetische golven gemagnetiseerd ijzer konden demagnetiseren. Op basis van zijn waarnemingen ontwikkelde Rutherford een toestel om elektromagnetische golven te detecteren over een afstand van een paar meter en zelfs door een stenen muur heen. Later zouden andere wetenschappers, waaronder de Italiaan Guglielmo Marconi vergelijkbare principes toepassen in de ontwikkeling van radiotelegrafie.

Na de toevallige ontdekking van radioactiviteit in 1896 door de Franse fysicus Antoine Henri Becquerel begon Rutherford nader onderzoek te doen naar dit fenomeen. In 1898 ontdekte hij dat de straling die ontstaat bij radioactief verval van zware elementen uit twee soorten bestaat, die hij alfa en beta noemde. Later kwam daar nog een derde soort bij, hoogenergetische gamma-straling.

Samen met de jonge chemicus Frederick Soddy ontdekte hij dat radioactiviteit een proces is waarbij atomen van een element spontaan veranderen in atomen van een ander, eveneens radioactief, element. Deze controversiële theorie deed veel stof opwaaien omdat wetenschappers tot die tijd ervan overtuigd waren dat atomen in elementen onveranderlijk waren. Desondanks werd Rutherford in 1903 gekozen tot lid van de Royal Society en kreeg hij in 1904 van deze sociëteit de Rumford Medal uitgereikt.

Tijdens zijn onderzoek ontdekte Rutherford dat radioactieve elementen altijd dezelfde hoeveelheid tijd nodig hadden om de helft van een monster te laten vervallen. Hiervoor introduceerde hij het begrip “halfleven” of halveringstijd. In 1904 suggereerde hij dat radioactieve elementen met een extreem lange halveringstijd een bron van energie konden zijn voor het in stand houden van de kerntemperatuur van de aarde. Dit zou een verklaring vormen voor de leeftijd van de aarde, en daarmee de tijd die benodigd is voor natuurlijke selectie zoals die door Charles Darwin in 1859 was voorgedragen.

Verschil tussen krentenbolmodel van Thomson (boven) en Rutherfords atoommodel (onder).

Het belangrijkste werk ontwikkelde Rutherford nadat hij de Nobelprijs had gekregen, namelijk de verstrooiing van alfadeeltjes door kernen: de verstrooiing van Rutherford. Na de ontdekking van radioactiviteit was hij begonnen te achterhalen wat de ware aard was van alfastraling, waarvan hij vermoedde dat het om heliumkernen ging. Aan McGill was het hem gelukt om alfadeeltjes af te buigen in elektrische en magnetische velden, waarmee hij aantoonde dat de deeltjes een positieve lading bezaten. Dit kon hij pas experimenteel bewijzen nadat hij in 1907 was teruggekeerd in Groot-Brittannië waar hij de beschikking kreeg over het ultramoderne laboratorium van de natuurkundefaculteit in Manchester.

Samen met zijn assistenten Hans Geiger en Brian Marsden bouwde hij een meetinstrument waarmee hij het aantal alfadeeltjes kon tellen dat van een radioactieve bron afkwam. Het bestond uit een fluorescerende plaat van zinksulfide dat alfadeeltjes zichtbaar maakt als lichtflitsjes. Met dit onderzoek wist hij in 1908 het bewijs te verkrijgen dat een alfadeeltje inderdaad een heliumkern was. Deze experimenten leidden tot een meting van de positieve elektrische lading (2e = 9,3×10⁻¹⁰ esu (elektrostatische eenheid)). Tijdens dit onderzoek had hij echter opgemerkt dat sommige alfadeeltjes, wanneer ze door het dunne metalen plaatje dat het telinstrument afsloot werden geleid, een heel klein beetje werden afgebogen van hun rechte pad. Deze verstrooiing was een raadsel voor Rutherford, omdat ze in tegenspraak was met het 'plumpuddingmodel' van Thomson.

Om dit verschijnsel nader te bestuderen liet hij zijn assistenten Geiger en Marsden in 1908 zware alfadeeltjes afvuren op een dunne goudfolie. De meeste alfadeeltjes ging er dwars doorheen, maar een klein aantal deeltjes (1 op de 8000) werden teruggekaatst. Het leek alsof ze tegen iets hards waren gebotst; dat er binnen de goudatomen iets verscholen lag dat hard en massief genoeg was om de zware alfadeeltjes af te stoten. Op basis van deze waarneming stelde hij in 1911 zijn atoommodel op, dat volgens hem bestond uit een zeer kleine positief geladen kern, de nucleus genoemd, waar de elektronen omheen cirkelen.[1] In 1912 voegde Niels Bohr zich in Manchester bij hem. Bohr combineerde Rutherfords atoomtheorie met de kwantumtheorie van Max Planck en vormde zo de grondslag voor de moderne kernfysica.

In 1917 toonde Rutherford aan dat stikstof in zuurstof veranderd kan worden door dit element te bestralen met alfastraling (¹⁴N + α → ¹⁷O + proton). Hiermee was hij de eerste persoon die kunstmatig een atoom liet transmuteren. In 1920 voorspelde hij het bestaan van een neutraal kerndeeltje. Dit neutrale deeltje, of neutron, werd in 1932 door de in Cambridge werkzame natuurkundige James Chadwick inderdaad ontdekt, waarvoor Chadwick drie jaar later de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontving.

In 1934 ontdekte Rutherford het waterstofisotoop tritium, terwijl hij onderzoek deed aan de botsing tussen twee deuteriumkernen waarbij een tritiumkern (triton) en een proton werden gevormd. Hij probeerde vervolgens tritium in water te detecteren maar slaagde daar voor zijn overlijden niet meer in.