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ERNEST RUTHERFORD |
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ERNEST RUTHERFORD und die Atomstruktur. Lebensdaten:1871 - 1937. Atome zeichnen sich durch ihr Gleichgewicht und ihre Stabilität aus, und für die Wissenschaftler im 19. Jahrhunlert waren Atome so unteilbar, wie sie es auch für Demo:fit im antiken Griechenland gewesen waren. Diese Ansicht geriet etwa um 1900 ins Schwanken, als man instabile radiofiktive Elemente entdeckte. Das moderne Atomverständnis tann daher auf die 1895 von Wilhelm Röntgen entdeckten mysteriösen Röntgenstrahlen und die von Pierre und MARIE CURIE beobachtete Radioaktivität zurückgeführt werden. Die erste große Erklärung der Atomstruktur verdanken wir allerdings dem neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford. Das von ihm entwickelte Atommodell besteht aus einem kleinen, dichtgepackten Kern, der von Elektronen auf Umlaufbahnen umkreist wird. Damit begründete er die Kernphysik, erklärte den radioaktiven Zerfall und trug zu entscheidenden Korrekturen am Periodensystem der Elemente bei. Oft wird er zusammen mit MICHAEL FARADAY als einer der größten Experimentalphysiker in der Geschichte der Wissenschaft genannt. Bei seinem Tod bezeichnete man ihn als den »Newton der Kernphysik«. Ernest Rutherford wurde am 30. August 1871 in Spring Grove, Neuseeland, als viertes von zwölf Kindern (von denen drei in ihrer Kindheit starben) geboren. Sein Vater James Rutherford versuchte sich als Flachsfarmer, Stellmacher und Mühlenbesitzer und war häufig von zu Hause fort. Zu seiner Mutter Martha, einer Lehrerin, hatte er eine enge Beziehung. Im Alter von zehn Jahren las er sein erstes Physikbuch, im Nelson College, das er ab 1887 mit Hilfe eines Stipendiums besuchte, erwies er sich als ausgezeichneter Schüler. Anschließend besuchte er das Canterbury College an der Universität von Neuseeland in Christchurch, wo er 1892 seinen Bachelor mit einer »eins« in Mathematik und Physik, 1893 den Master und 1894 den Bachelor of Science erwarb. Er arbeitete gerade mit der Familie auf dem Feld, als er 1895 die Mitteilung erhielt, daß sein Stipendium zum Studium in England bewilligt wurde; daraufhin legte er die Schaufel nieder und sagte zu seiner Mutter: »Das ist die letzte Kartoffel, die ich in meinem Leben ausgegraben habe.« Rutherfords Ankunft in Cambridge fiel mit den mehr oder weniger versehentlichen Entdeckungen der Röntgenstrahlen durch Wilhelm Röntgen und der rätselhaften, von Uran emittierenden Strahlung durch Henri Becquerel (1895) zusammen. Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Leiden Strahlungsarten sorgten in wissenschaftlichen Kreisen für erhebliche Aufregung. Zusammen mit JOSEPH J. EHOMSON , dem Direktor des Cavendish Laboratory, beschäftigte sich bald danach auch Rutherford mit ihnen. Thomson hatte nachgewiesen, daß durch Röntgenstrahlen Gase leitfähig wurden. Sobald man jedoch das Gas durch laswolle oder zwischen zwei elektrisch geladenen Platten hindurchströmen ließ, wurde die Leitfähigkeit zerstört. Das chien darauf hinzudeuten, daß Röntgenstrahlen aus Teilchen bestehen; Rutherford war sich ihrer physikalischen Existenz so sicher, daß er meinte, die »lustigen kleinen Burichen fast sehen« zu können. Ionisierung, wie man sie seit iber sechzig Jahren vom Wasser kannte, konnte, wie nun ;gezeigt, auch in Gasen stattfinden. Diese mit Thomson ;emachte Entdeckung etablierte 1896 Rutherfords wissenschaftlichen Ruf. Gegen Ende seines Lebens meinte Rutherford, die wichigste Entscheidung seiner Karriere sei 1897 gefallen, als er sich dazu entschloß, radioaktive Phänomene zu untersuchen. 1898 unterschied er zwei Arten der radioaktiven Uranstrahlung, die er Alphastrahlen und Betastrahlen nannte. Alphastrahlung (die, wie man später herausfand, aus Heliumkernen besteht) besitzt hohes Ionisierungs, aber geringes Durchdringungsvermögen und kann bereits von Luft aufgehalten werden. Betastrahlen (hochenergetische Elektronen) sind kaum ionisierend, können jedoch dicke Metallplatten durchdringen. Obwohl noch immer sehr rätselhaft, erlangten Alpha und Betastrahlen unter den Händen Rutherfords enorme Bedeutung für die Entdeckung der Atomstruktur. Als Ion wird ein elektrisch geladenes Atom verstanden: positiv geladen, wenn Elektronen fehlen (Kation), oder negativ geladen, wenn ein Uberschuß an Elektronen besteht (Anion). Michael Faraday prägte um 1830 den Ausdruck im Zusammenhang mit der Elektrochemie. 1887 schlug Svante August Arrhenius vor, daß Ionen elektrisch geladene Atome sind. Diese Auffassung wurde erst mit Thomsons Entdeckung der Elektronen und den Untersuchungen zur Radioaktivität allgemein anerkannt. 1898 nahm Rutherford den Ruf an die McGill University in Montreal wahr, wo ihm ein gutausgestattetes Labor und ein Vorrat des seltenen und teueren Radiumbromids zur Verfügung standen. Und er traf auf Frederick Soddy, einen Chemiker, mit dem er in den nächsten Jahren eng zusammenarbeiten sollte. Ihre gemeinsamen Experimente schufen »die Grundlagen der Radioaktivität«, wie A. S. Eve einige Jahre später schrieb. Insbesondere zeigten sie, wie das radioaktive Element Thorium mit einer bestimmten Zerfallsrate über einen gewissen Zeitraum zu anderen Elementen zerfiel, bis es sich in einer Art Blei stabilisierte. Das führte zum Gedanken der »Halbwertszeit«. Bereits 1904 diskutierte Rutherford die Möglichkeit, aufgrund des radioaktiven Zerfalls das Alter der Erde zu bestimmen. Angesichts der um die Jahrhundertwende landläufigen Vorstellung, daß Atome unzerstörbar waren, klang diese Art der Elementumwandlung für viele Wissenschaftler wie Häresie. Als Rutherford und Soddy 1905 ihre Theorie veröffentlichten, lösten sie daher Staunen und heftige Kritik aus. Die noch wichtigere Ableitung, die aus dem Studium der Radioaktivität hervorging, aber war die Atomstruktur. 1907 kehrte Rutherford nach England zurück und übernahm an der Universität in Manchester einen Lehrstuhl für Physik, wo er eine Gruppe von Studenten leitete, zu denen auch Hans Geiger und Ernest Marsden gehörten. Rutherford und seine Helfer bombardierten eine dünne Goldfolie, die von Zinksulfidwänden umgeben war, mit Radon-Alphateilchen. Die meisten Alphateilchen gingen wie erwartet durch die Folie hindurch. Aber gelegentlich wurde ein Teilchen zurückgeworfen und abgelenkt und erzeugte einen sichtbaren Funken, wenn es auf das Zinksulfid traf. Es war, sagte Rutherford, »als hätte man ein 400mmGeschoß auf eine Papierserviette abgefeuert, und das Geschoß kommt zurück und trifft dich.« Rutherford hatte entdeckt, daß das Atom nicht der »nette harte Kerl« ist, für den man es seit JOHN DALTON gehalten hatte. Sondern ein Punkt konzentrierter elektrischer Ladung, »umgeben von entgegengesetzter Ladung gleichen Betrags, die sich auf einer uniformen Sphäre verteilt.« Während daher die meisten Alphateilchen die Atome der Goldfolie einfach durchdrangen, kam es gelegentlich vor, daß ein Teilchen dem Kern zu nahe kam und von ihm ' abgelenkt wurde. Rutherford berechnete die Größe des Atomkerns als den zehntausendsten Teil des gesamten Atomumfangs. Bei einer Versammlung der Manchester Literary and Philosophical Society am 7. März 1911 gab Rutherford seine Entdeckung bekannt. Darauf aufbauend entwickelte er das Atommodell als Miniaturausgabe des Sonnensystems; es bestand aus einem winzigen, aber dichten Kern, der von sehr viel kleineren Elektronen umkreist wurde. 1914 kam er zu der Auffassung, daß der Kern selbst aus negativ geladenen Elektronen und »positiven Elektronen«, die er später Protonen nannte, aufgebaut war. Das Rutherford-Modell (auch als Rutherford-Bohr-Modell bezeichnet) verfügte über einige Unzulänglichkeiten und wurde mit dem Auftauchen der Quantenmechanik entscheidend abgeändert. Aber in der Geschichte der modernen Physik war es von zentraler Bedeutung und stellte die theoretische Basis für die notwendigen Korrekturen am Periodensystem dar. Rutherfords letzter Beitrag kam während des Ersten Weltkriegs, als er mit seinen Experimenten einen Weg einschlug, von dem die Alchimisten immer geträumt hatten. Er hatte bereits gezeigt, daß Atome nicht unteilbar waren und daß radioaktive Elemente zu anderen Elementen zerfallen können. Nun überlegte er, daß es möglich sein sollte, einen Atomkern in einen anderen umzuwandeln, wenn er ein oder mehr Teilchen freisetzte. Dazu bombardierte er Stickstoff mit Alphateilchen, was zur Abgabe von Wasserstoffatomen führte. Da er diese Experimente während des Ersten Weltkriegs durchführte, entschuldigte er sich bei den britischen Behörden, daß er nicht an den Kriegsanstrengungen teilnahm. »Wenn ich«, schrieb er, »wie ich Grund habe zu glauben, den Atomkern spalten kann, dann ist das von größerer Bedeutung als der ganze Krieg.« Das Experiment war, wie man sich später bewußt wurde, die erste vorsätzlich herbeigeführte Kernspaltung. Obwohl er die nächsten siebzehn Jahre noch weiter arbeitete, hatte er damit seine bedeutendsten Leistungen erbracht. 1919 ging er von Manchester an die Universität Cambridge, wo er J. J. Thomson als Leiter des Cavendish Laboratory ablöste. Rutherford starb am 19. Oktober 1937 nach einem unglücklichen. Unfall, der zu einem infektiösen Nabelbruch führte. Er liegt in der Westminster Abbey begraben. Ernest Rutherford wurde noch zu Lebzeiten geehrt. 1908 wurde ihm der Nobelpreis verliehen - seltsamerweise für Chemie, was zu einigen Witzeleien über den Physiker führte, der über Nacht in einen Chemiker »umgewandelt« wurde. 1914 wurde er zum Ritter geschlagen, 1931 zum Lord ernannt, und von 1925 bis 1930 war er Präsident der Royal Society. Er war mit Mary Georgina Newton verheiratet, einer intelligenten, belesenen, bodenständigen Frau. Zu seiner Mutter, die in Neuseeland blieb, hatte er einen herzlichen, warmen Kontakt. Als er zum Lord ernannt wurde, schrieb er ihr: »Nun Lord Rutherford, mehr zu derner als zu meiner Ehre, Ernest.« Ihr Tod 1935 traf ihn schwer. Er war politisch liberal, nicht religiös, ein ausgezeichneter Stilist, wenn es um wissenschaftliche Themen ging; aber »wenn er von sich selbst schreiben sollte, wurde er unsäglich langweilig«, wie sein Biograph David Wilson feststellte. Eine Persönlichkeit voller Kraft, »immer unter Feuer«, wie E. N. da C. Andrade schrieb, »und von ansteckender Begeisterung, wenn er von seiner Arbeit sprach, in die er sein Herz gesteckt hatte, und immer freigiebig im Lob anderer.« |
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