Alkemisten från Nya Zeeland

2015-12-09 06:17 Kaianders Sempler  

Ernest Rutherford insåg att radioaktivitet i grund och botten är kärnreaktioner där grundämnen transmuteras till andra. Detta ledde till att han för hundra år sedan upptäckte atomernas inre struktur och kunde genomföra världens första atomklyvning.

Den stora världsutställningen i Hyde Park i London 1851, den första i sitt slag, blev en stor succé. Inte minst ekonomiskt. Det beslutades av en del av överskottet skulle gå till stipendier till lovande forskare från de brittiska kolonierna så att de skulle kunna studera vidare vid valfri institution inom imperiet. År 1895 utsågs en ung bondson vid namn Ernest Rutherford som Nya Zeelands stipendiat. Han begav sig omedelbart till Cambridge och Cavendishlaboratoriet, Englands ledande fysikaliska forskningsinstitution.

Rutherford hade på Nya Zeeland börjat forska om Hertzvågor, trådlös överföring, och hade uppfunnit en ny typ av detektor. I Cambridge fortsatte han sitt arbete, och höll under en kort tid världsrekordet i trådlös överföring – ett par hundra meter.

Men så upptäckte Konrad Röntgen sina X-strålar 1895, och året efter upptäcktes radioaktiviteten av Henri Becquerel. Rutherford lämnade radiovågorna till Marconi och kastade sig över det nya forskningsfältet.

Becquerels upptäckt kom egentligen av en ren slump. Becquerel hade sett att många mineral fluorescerade när de belystes med röntgenstrålar. Han undrade om det även fanns ett omvänt samband – om fluorescerade ämnen avgav röntgenstrålar. Efter att ha prövat en mängd ämnen med negativt resultat upptäckte han att uranföreningar faktiskt gav ifrån sig strålning, dock utan att det hade något som helst att göra med fluorescens. Detsamma gällde torium, ett grundämne som upptäckts 1815 av Berzelius.

Pierre och Marie Curie i Paris tog upp Becquerels forskning och fann 1898 två dittills okända kraftigt strålande grundämnen som de gav namnen polonium och radium. Men vad var egentligen radioaktivitet?

Rutherford kunde snart visa att radioaktiva ämnen gav ifrån sig två sorters okänd strålning, som han kallade alfa och beta efter det grekiska alfabetets första bokstäver. En tredje typ, som påminde om röntgenstrålarna, fick namnet gamma. Olika radioaktiva ämnen sprutade ut olika proportioner av de olika stråltyperna.

Både alfa- och betastrålarna var joniserande, de gjorde luft elektriskt ledande. Men varför? Och vad bestod de mystiska strålarna av? Rutherford kunde visa att betastrålarna i själva verket var katodstrålar, strömmar av elektroner. Chefen på Cavendishlaboratoriet, J J Thomson, hade 1897 visat att katodstrålar bestod av små elektriskt laddade partiklar, elektroner. Nu visade det sig att elektroner uppenbarligen kunde komma inifrån atomerna själva. Betastrålarna kunde precis som katodstrålarna lätt avlänkas i elektriska och magnetiska fält.

Men vad bestod alfastrålarna av? De var betydligt tyngre och energi­rikare än betastrålarna, och vägrade låta sig avlänkas i magnetfält.

1898 fick Rutherford en tjänst vid McGill University i Montreal, Kanada. Universitetet hade tack vare en stormrik donator vid namn William MacDonald kunnat bygga upp ett fysiklaboratorium i världsklass. MacDonald hade gjort sig en förmögenhet på tobakshandel, en verksamhet som han glatt ägnade sig åt trots att han själv var ickerökare och förbjöd all rökning i sin närhet.

I Montreal fortsatte Rutherford sina undersökningar av radioaktiviteten. Till sin hjälp fick han en ung kemist vid namn Frederick Soddy .

Tillsammans undersökte de hur strålningen från radioaktiva prov förändrades med tiden, och upptäckte att radioaktiva grundämnen ”utsöndrade” andra ämnen. Soddy kunde visa att det ur ett radioaktivt ämne med tiden uppstod andra ämnen, däribland en radioaktiv ädelgas som vägrade förena sig med något annat ämne. Det visade sig också att den radioaktiva processen följde ett mönster: under en viss tid övergick en viss andel av ämnet till ett annat. Rutherford och Soddy kunde visa att varje radioaktivt ämne hade en halveringstid, en tid efter vilken hälften av atomerna i ett prov hade transmuterat, övergått till ett annat, och de analyserade olika radioaktiva ämnens sönderfallskedjor.

Resultaten var så häpnadsväckande att Rutherford förskräckt skrek:

– Säg för tusan inget om att vi transmuterat grundämnen till andra. Då tror universitetsledningen att vi är alkemister och drar in våra forskningsanslag!

Så när de skev sina rapporter nöjde de sig med att säga att det i det radioaktiva materialet ”skett en subatomisk kemisk förändring”.

Hösten 1907 flyttade Rutherford tillbaka till England, nu som professor och institutionschef vid Manchesters universitet. Nu koncentrerade han sig på att undersöka de mystiska alfastrålarna.

Men hjälp av starka elektromagneter kunde han till sist visa att alfastrålarna trots allt gick att avlänka i elektriska och magnetiska fält. Uppenbarligen bestod de av laddade partiklar.

– Heliumkärnor, sa Rutherford, men det skulle dröja ända till neutronens upptäckt innan det kunde visas med säkerhet.

Rutherford beslutade sig för att bombardera olika material med alfastrålar från en radiumkälla och se vad som hände. Ett resultat var att han lyckades transmutera kväve till syre. En annan serie försök handlade om att se om alfastrålarna avlänkades när de gick igenom tunna folier av olika material. Det gjorde en del av dem. Vanligtvis inte särskilt mycket, men till allas stora förvåning visade det sig att det då och då inträffade att en alfapartikel faktiskt studsade rakt tillbaka.

– Det är inte klokt, sa Rutherford. Det är som om man skjuter en kanonkula mot ett pappersark och den studsar tillbaka.

Det fanns bara en förklaring till detta. Alfapartiklarna som studsat tillbaka måste ha stött på en mycket tung och elektriskt laddad punkt som fått dem att ändra riktning. Tydligen fanns inne i atomen en kärna där huvuddelen av dess massa var koncentrerad. Detta stod i kontrast till hans chef J J Thomsons etablerade atommodell som närmast påminde om en russinbulle. Rutherfords atommodell var en sensation, och den kompletterades snart av den danske fysikern Niels Bohr som visade att elektronbanor har olika energinivåer.

Kvantfysikaliska processer lyder inte vanliga kausalitetslagar utan där handlar det om sannolikheter. Rutherford insåg att han saknade nödvändiga kunskaper i ämnet och tog 1909 tillsammans med förstaårsstudenterna vid universitetet i Manchester en kurs i statistik och sannolikhetslära. Resultatet blev en förbättrad och säkrare metod för att räkna alfapartiklar.

Rutherfords utrustning för att räkna alfapartiklar var enklast tänkbara – man betraktade en fluorescerande skärm med en lupp. När alfapartiklarna träffade skärmen uppstod en svag ljusblixt. Det gällde för observatören att vara alert och inte missa några blixtar. Därför bestämde Rutherford att mätningarna skulle göras av två observatörer samtidigt. Nu visade det sig att sannolikhetsläran kunde hjälpa till att bestämma det totala antalet blixtar, alltså även de som båda observatörerna missade.

Låt oss kalla det okända totala antalet ljusblixtar under en mätning för N. Om vi kallar sannolikheten för att observatören A ser en ljusblixt för ha och sannolikheten för att observatör B ser en blixt för hb blir sannolikheten för att båda samtidigt ser samma blixt ha·hb. Om nu under en mätning observatör A sett Na blixtar, observatör B har sett Nb blixtar och att antalet blixtar som setts av båda är Nab kan vi beräkna N, det totala antalet blixtar under mätperioden, alltså även de som inte setts av någon av observatörerna. Vi får nämligen ekvationerna:

Na= N·ha, Nb=N·hb, Nab=N·ha·hb,

vilket ger N=Na·Nb/Nab.

Om man förutsätter att observatörerna är lika alerta hela tiden går det alltså att mäta även det man inte ser. Pröva själv.

1919 kom Rutherford tillbaka till Cavendishlaboratoriet i Cambridge, nu som högste chef. Rutherford betraktades nu som Storbritanniens ledande vetenskapsman. Han gick under smeknamnet ”Krokodilen”, och på en av institutets ytterväggar kan man fortfarande se en ristning föreställande en krokodil som skapades år 1933. Han hade adlats redan 1914, men nyåret 1931 utnämndes han till baron och fick säte i House of Lords. Han tog sig namnet Ernest Lord of Nelson efter sin hemstad på Nya Zeeland. Han skaffade sig också en fantasifull vapensköld där det ingår bland annat en kiwifågel, en maorikrigare och en figur föreställande Hermes Trismegistos, den mytiske medeltida alkemisten som påstods ha funnit de vises sten.

1932 kunde Rutherfords tidigare medhjälpare James Chadwick till sist påvisa existensen av neutronen, den elektriskt neutrala kärnpartikel som Rutherford förutsagt redan på 1920-talet. Med neutronens hjälp blev det möjligt att göra nya experiment med nya kärnreaktioner.

Ernest Rutherford fortsatte att producera forskningsgenombrott ända till slutet av sitt liv. 1934 lyckades Rutherford och hans medarbetare Mark Oliphant bombardera tunga vätekärnor med neutroner och skapa både radioaktivt tritium, extratungt väte med två neutroner och en proton i kärnan, och helium 3, heliumatomer med två protoner och en neutron.

Han avled 66 år gammal den 19 oktober 1937, så han slapp vara med om att se hur hans forskningsfält ledde till utvecklingen av kärnvapen (För övrigt ansåg han att alla stridsflygplan skulle förbjudas i Genèvekonventionen). Hans stoft vilar i Westminster Abbey vid ­sidan av Isaac Newtons.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

Här är reglerna för kommentarerna på NyTeknik

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Aktuellt inom

Senaste inom

Debatt