Snelle feiten
Levensloop
Ernest Rutherford was het vierde van twaalf kinderen van een vlasboer en wagenmaker in Nieuw-Zeeland. Dankzij beurzen kon hij studeren aan Canterbury College in Christchurch, waar hij experimenteerde met de detectie van radiogolven. In 1895 won hij een beurs voor de Universiteit van Cambridge. Volgens het bekende verhaal was hij aardappels aan het rooien toen het bericht kwam, en zei hij: “Dat is de laatste aardappel die ik ooit rooi.”
In Cambridge werkte hij in het Cavendish Laboratory onder J.J. Thomson, die in 1897 het elektron ontdekte. Rutherford stortte zich op het nieuwe verschijnsel radioactiviteit, net ontdekt door Becquerel en onderzocht door Marie Curie. In 1898 werd hij hoogleraar aan McGill University in Montreal (Canada). Daar deed hij met de scheikundige Frederick Soddy het werk dat hem de Nobelprijs opleverde.
In 1907 verhuisde hij naar de Universiteit van Manchester, waar hij een bloeiende onderzoeksgroep opbouwde met onder anderen Hans Geiger, Ernest Marsden en een tijdlang Niels Bohr. In 1919 volgde hij Thomson op als directeur van het Cavendish Laboratory in Cambridge. Onder zijn leiding werden daar het neutron (James Chadwick, 1932) en de eerste kunstmatige atoomsplitsing met een deeltjesversneller (Cockcroft en Walton, 1932) ontdekt. Rutherford stond bekend om zijn luide stem, zijn directheid en zijn talent om jonge onderzoekers te laten groeien: meer dan tien van zijn leerlingen en medewerkers wonnen later een Nobelprijs.
Hij werd in 1914 geridderd en in 1931 als Baron Rutherford of Nelson in de adelstand verheven. Van 1925 tot 1930 was hij voorzitter van de Royal Society. Hij overleed in 1937 onverwacht na complicaties van een beknelde breuk en werd bijgezet in Westminster Abbey, vlak bij het graf van Isaac Newton.
Radioactiviteit en omzetting van elementen
In 1899 ontdekte Rutherford dat de straling van uranium uit minstens twee soorten bestaat. De ene soort werd al door een velletje papier tegengehouden; de andere ging er veel verder doorheen. Hij noemde ze alfa- en bètastraling; de doordringende gammastraling (ontdekt door Paul Villard in 1900) kreeg later van hem haar naam. Rutherford toonde aan dat alfadeeltjes heliumkernen zijn.
Met Soddy kwam hij in 1902 tot een revolutionaire conclusie: bij radioactief verval verandert het ene element spontaan in een ander. Dat was eeuwenlang de droom van alchemisten geweest — en de meeste scheikundigen vonden het onzin. Rutherford introduceerde ook het begrip halfwaardetijd: de tijd waarin de helft van de atomen van een radioactieve stof vervalt. Hij zag direct dat je daarmee de ouderdom van gesteenten kon bepalen. Voor dit werk kreeg hij in 1908 de Nobelprijs voor de scheikunde — tot zijn eigen vermaak, want hij beschouwde zichzelf als natuurkundige. Lees meer over vervalsoorten en halfwaardetijd bij radioactief verval.
Het goudfolie-experiment en de atoomkern
Rond 1909 was het gangbare atoommodel het “krentenbolmodel” van Thomson: een bol positieve lading met de elektronen erin verspreid, als krenten in een bol deeg. Rutherford liet Geiger en de student Marsden alfadeeltjes afschieten op een flinterdun goudfolie, enkele honderden atomen dik. Rond het folie stond een scherm dat oplichtte bij elke treffer.
De meeste alfadeeltjes vlogen recht door het folie, zoals verwacht. Maar een heel klein deel — ruwweg één op de achtduizend — kaatste onder een hoek van meer dan 90° terug. Rutherford zei later dat dit was alsof je een granaat van 15 inch op een vel vloeipapier afschoot en die terugkwam en jou raakte.
In 1911 gaf hij de verklaring:
- Bijna alle massa en alle positieve lading van een atoom zitten in een uiterst kleine kern.
- De kern is ongeveer 100 000 keer kleiner dan het atoom zelf. Als het atoom zo groot is als een voetbalstadion, is de kern een knikker op de middenstip.
- De elektronen bewegen in de verder lege ruimte daaromheen. Alleen alfadeeltjes die toevallig vlak langs een kern komen, worden sterk afgebogen.
Dit kernmodel is de basis van alles wat je leert over atoomstructuur. Het had wel een probleem: volgens de klassieke natuurkunde zouden draaiende elektronen energie verliezen en in de kern storten. Bohr loste dat in 1913 op met het atoommodel van Bohr.
Het proton en de eerste kernreactie
In 1917 schoot Rutherford alfadeeltjes door stikstofgas en ontdekte dat er waterstofkernen vrijkwamen. De verklaring, gepubliceerd in 1919: een stikstofkern neemt een alfadeeltje op en verandert in zuurstof, onder uitzending van een waterstofkern. In moderne notatie: ¹⁴N + ⁴He → ¹⁷O + ¹H. Dit was de eerste kunstmatig opgewekte kernreactie. Rutherford concludeerde dat de waterstofkern een bouwsteen van alle kernen is en noemde haar in 1920 het proton. In datzelfde jaar voorspelde hij dat er ook een neutraal kerndeeltje moest bestaan; zijn medewerker Chadwick vond dat neutron in 1932. Kernen met hetzelfde aantal protonen maar verschillend aantal neutronen heten isotopen.
Erfenis
Rutherford gaf ons het beeld van het atoom zoals we het nog steeds tekenen: een kern van protonen en neutronen met elektronen eromheen. Zijn ontdekkingen leidden tot kernenergie, radioactieve dateringsmethoden, nucleaire geneeskunde en de deeltjesfysica van versnellers als die van CERN. Element 104 heet rutherfordium. In Nieuw-Zeeland staat hij op het biljet van 100 dollar. Hij is ook een voorbeeld van hoe een onderzoeksleider een hele generatie kan vormen: het Cavendish Laboratory werd onder hem het centrum van de kernfysica.
Tijdlijn
- 1871 — Geboren op 30 augustus in Brightwater, Nieuw-Zeeland.
- 1895 — Beurs voor Cambridge; werkt bij J.J. Thomson.
- 1898 — Hoogleraar aan McGill University, Montreal.
- 1899 — Onderscheidt alfa- en bètastraling.
- 1902 — Theorie van radioactieve omzetting, met Frederick Soddy.
- 1907 — Hoogleraar in Manchester.
- 1908 — Nobelprijs voor de scheikunde.
- 1909 — Goudfolie-experiment door Geiger en Marsden.
- 1911 — Publiceert het kernmodel van het atoom.
- 1914 — Geridderd.
- 1917–1919 — Eerste kunstmatige kernreactie; directeur Cavendish Laboratory.
- 1920 — Noemt het proton en voorspelt het neutron.
- 1931 — Baron Rutherford of Nelson.
- 1937 — Overleden op 19 oktober in Cambridge.
Veelgestelde vragen
Wat heeft Ernest Rutherford ontdekt?
Rutherford ontdekte de atoomkern (1911), onderscheidde alfa- en bètastraling, toonde met Soddy aan dat radioactief verval het ene element in een ander verandert, introduceerde het begrip halfwaardetijd, voerde de eerste kunstmatige kernreactie uit en ontdekte het proton.
Wat was het goudfolie-experiment?
Bij het goudfolie-experiment (1909) schoten Geiger en Marsden onder leiding van Rutherford alfadeeltjes op een dun goudfolie. De meeste gingen er recht doorheen, maar een heel klein deel kaatste terug. Rutherford concludeerde in 1911 dat bijna alle massa van een atoom in een piepkleine, positieve kern zit.
Wat is het atoommodel van Rutherford?
In het atoommodel van Rutherford zit bijna alle massa en positieve lading in een kleine kern, ongeveer 100 000 keer kleiner dan het atoom. De elektronen bewegen in de verder lege ruimte eromheen.
Waarom kreeg Rutherford de Nobelprijs voor scheikunde en niet voor natuurkunde?
Rutherford kreeg in 1908 de Nobelprijs voor de scheikunde voor zijn onderzoek naar het uiteenvallen van elementen en de chemie van radioactieve stoffen. Omdat het om omzetting van elementen ging, zag het Nobelcomité het als scheikunde; Rutherford zelf grapte dat hij de snelste omzetting van allemaal had meegemaakt: van natuurkundige in scheikundige.
Hoe oud is Ernest Rutherford geworden?
Rutherford werd 66 jaar oud: hij werd geboren op 30 augustus 1871 in Nieuw-Zeeland en overleed op 19 oktober 1937 in Cambridge.