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Ernest Rutherford, 1º Barão Rutherford de Nelson (30 de agosto de 1871 - 19 de outubro de 1937) foi um físico e químico neozelandês que foi um pesquisador pioneiro em…

Ernest Rutherford, 1º Barão Rutherford de Nelson (30 de agosto de 1871 - 19 de outubro de 1937) foi um ilustre físico e químico neozelandês, reconhecido por suas contribuições pioneiras à física atômica e nuclear. Ele é amplamente aclamado como “o pai da física nuclear” e elogiado como “o maior experimentalista desde Michael Faraday”. Em 1908, Rutherford recebeu o Prêmio Nobel de Química por suas investigações inovadoras sobre a desintegração de elementos e as propriedades químicas de substâncias radioativas.

Ernest Rutherford, 1º Barão Rutherford de Nelson (30 de agosto de 1871 - 19 de outubro de 1937) foi um físico e químico neozelandês que foi um pesquisador pioneiro em física atômica e nuclear. Ele foi descrito como "o pai da física nuclear" e "o maior experimentalista desde Michael Faraday". Em 1908, ele recebeu o Prêmio Nobel de Química "por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioativas". As descobertas seminais de Rutherford abrangem a formulação do conceito de meia-vida radioativa, a identificação do elemento radioativo radônio e a diferenciação e nomenclatura das radiações alfa e beta. Colaborando com Thomas Royds, Rutherford demonstrou conclusivamente que a radiação alfa consiste em núcleos de hélio. Em 1911, ele apresentou a teoria de que a carga atômica está concentrada dentro de um núcleo extremamente pequeno, uma hipótese derivada de sua descoberta e interpretação do espalhamento de Rutherford durante o experimento da folha de ouro conduzido por Hans Geiger e Ernest Marsden. Sua influência se estendeu ao convite de Niels Bohr para seu laboratório em 1912, uma colaboração que posteriormente levou ao desenvolvimento do modelo do átomo de Bohr. Em 1917, Rutherford alcançou a primeira reação nuclear induzida artificialmente, bombardeando núcleos de nitrogênio com partículas alfa. Esses experimentos culminaram na descoberta de uma partícula subatômica, inicialmente denominada "átomo de hidrogênio", que mais tarde ele renomeou mais precisamente como próton. Além disso, ele é creditado por desenvolver o sistema de numeração atômica em conjunto com Henry Moseley. Suas realizações adicionais incluem avanços significativos nas áreas de comunicações de rádio e tecnologia de ultrassom.

Em 1919, Rutherford assumiu a direção do Laboratório Cavendish na Universidade de Cambridge. Sob sua estimada liderança, James Chadwick descobriu o nêutron em 1932. No mesmo ano, John Cockcroft e Ernest Walton, trabalhando sob a orientação de Rutherford, conduziram o primeiro experimento controlado para dividir o núcleo atômico. Em reconhecimento às suas profundas contribuições científicas, Rutherford foi elevado à nobreza como barão do Reino Unido. Após sua morte em 1937, ele foi enterrado na Abadia de Westminster, ao lado de figuras eminentes como Charles Darwin e Isaac Newton. O elemento químico ruterfórdio (104Rf) foi nomeado em sua homenagem em 1997. Em 1999, ele foi reconhecido postumamente como o décimo maior físico de todos os tempos.

Primeira vida e formação educacional

Ernest Rutherford nasceu em 30 de agosto de 1871, em Brightwater, Nova Zelândia. Ele foi o quarto de doze filhos de James Rutherford, um agricultor e mecânico imigrante de Perth, Escócia, e Martha Thompson, uma professora originária de Hornchurch, Inglaterra. Sua certidão de nascimento registrou erroneamente seu nome de batismo como 'Earnest'; dentro de sua família, ele era carinhosamente conhecido como Ern.

Aos cinco anos de idade, Rutherford mudou-se para Foxhill, Nova Zelândia, onde iniciou seus estudos na Foxhill School. Em 1883, quando ele tinha onze anos, a família Rutherford mudou-se para Havelock, situada em Marlborough Sounds, para ficar mais próxima da fábrica de linho operada por seu pai. Posteriormente, Ernest frequentou a Havelock School.

Em 1887, após uma segunda tentativa, Rutherford conseguiu uma bolsa de estudos para estudar no Nelson College. Durante sua tentativa inicial de exame, ele obteve a pontuação mais alta entre todos os candidatos de Nelson. Ao receber a bolsa, ele obteve 580 de 600 notas possíveis. Após essa conquista, a Havelock School presenteou-o com um conjunto de livros em cinco volumes intitulado Os Povos do Mundo. Ele prosseguiu seus estudos no Nelson College de 1887 a 1889, servindo como monitor-chefe em seu último ano. Ele também participou do time de rugby da escola. Apesar de receber uma oferta para um cargo de cadete no serviço governamental, ele recusou, pois ainda tinha quinze meses de faculdade restantes. Em 1889, após uma segunda inscrição, ele recebeu uma bolsa para cursar o ensino superior no Canterbury College, Universidade da Nova Zelândia, onde estudou de 1890 a 1894. Durante seu tempo em Canterbury, ele participou ativamente da sociedade de debates e da Sociedade de Ciências. Suas realizações acadêmicas em Canterbury incluíram um bacharelado abrangente em latim, inglês e matemática em 1892, seguido por um mestrado em matemática e ciências físicas em 1893, e um bacharelado em química e geologia em 1894.

Posteriormente, Rutherford desenvolveu um receptor de rádio inovador. Em 1895, ele recebeu uma bolsa de pesquisa de 1851 da Comissão Real para a Exposição de 1851, permitindo-lhe viajar para a Inglaterra para estudos de pós-graduação no Laboratório Cavendish, na Universidade de Cambridge. Em 1897, ele obteve um B.A. Grau de pesquisa e recebeu a bolsa Coutts-Trotter do Trinity College, Cambridge.

Esforços de carreira e pesquisa

Ao iniciar seus estudos em Cambridge, Rutherford estava entre os primeiros "alienígenas" - indivíduos sem um diploma de Cambridge - que receberam permissão para conduzir pesquisas universitárias. Ele também teve o privilégio de estudar com J. J. Thomson. Encorajado por Thomson, Rutherford detectou com sucesso ondas de rádio a uma distância de 800 m (0,5 milhas), estabelecendo brevemente um recorde mundial de alcance de detecção de ondas eletromagnéticas. No entanto, durante sua apresentação na reunião da Associação Britânica de 1896, ele soube que Guglielmo Marconi havia superado sua conquista ao transmitir ondas de rádio por quase 10 milhas (16 km).

Radioatividade

Sob a orientação contínua de Thomson, Rutherford investigou as propriedades condutoras dos raios X em gases, uma linha de investigação que contribuiu para a descoberta do elétron, com Thomson apresentando as descobertas iniciais em 1897. Posteriormente, ao tomar conhecimento das observações de Henri Becquerel sobre o urânio, Rutherford iniciou a pesquisa sobre sua radioatividade. Isso o levou à identificação de dois tipos distintos de radiação, diferenciados dos raios X por suas diversas capacidades de penetração. Prosseguindo com suas investigações no Canadá, ele introduziu os termos "raio alfa" e "raio beta" em 1899 para caracterizar essas duas formas únicas de radiação.

Em 1898, Rutherford aceitou a Cátedra Macdonald de Física na Universidade McGill em Montreal, Canadá, após o endosso de Thomson. Entre 1900 e 1903, colaborou na McGill com o nascente químico Frederick Soddy (que mais tarde recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1921). Rutherford encarregou Soddy de identificar o gás nobre emitido pelo elemento radioativo tório, uma substância que era radioativa e capaz de revestir outros materiais. Depois de descartar sistematicamente todas as reações químicas convencionais, Soddy propôs que o gás emitido deveria ser um gás inerte, que posteriormente chamaram de thoron. Esta substância foi posteriormente identificada como 220Rn, um isótopo do radônio. Suas investigações também descobriram outra substância, chamada Tório X, posteriormente reconhecida como 224Rn, e detectaram consistentemente vestígios de hélio. Além disso, analisaram amostras de "Urânio X" (protactínio) obtidas de William Crookes e de rádio fornecido por Marie Curie. Rutherford, em colaboração com RB Owens, conduziu pesquisas adicionais sobre o tóron, observando que uma amostra de material radioativo, independentemente de seu tamanho inicial, exigia consistentemente a mesma duração para que metade de sua massa decaísse (especificamente, 11§56§⁄§78§ minutos neste caso). Ele chamou essa taxa de decaimento consistente de “meia-vida”. Rutherford e Soddy publicaram posteriormente seu artigo seminal, "Lei da Mudança Radioativa", que elucidou suas descobertas experimentais. Antes de seu trabalho, os átomos eram amplamente considerados a base indivisível de toda a matéria. Embora Curie tenha postulado que a radioatividade era um fenômeno atômico, o conceito de átomos radioativos se desintegrando espontaneamente era revolucionário. Rutherford e Soddy demonstraram conclusivamente que a radioatividade implicava a decomposição espontânea de átomos em outras formas de matéria, então não identificadas. Em 1903, Rutherford examinou uma forma de radiação, identificada mas sem nome pelo químico francês Paul Villard em 1900, originária do rádio. Ele reconheceu que esta emissão possuía um poder de penetração significativamente maior do que os raios alfa e beta previamente identificados, indicando um fenómeno distinto. Consequentemente, Rutherford designou este terceiro tipo de radiação como “raio gama”. Todas as três classificações de Rutherford permanecem terminologia padrão na física contemporânea; embora formas adicionais de decaimento radioativo tenham sido descobertas desde então, seus três tipos estão entre os mais prevalentes. Em 1904, Rutherford postulou que a radioatividade poderia fornecer uma fonte de energia suficientemente ampla para explicar a existência sustentada do Sol ao longo dos milhões de anos necessários para a evolução biológica gradual na Terra, conforme teorizado por biólogos como Charles Darwin. Anteriormente, o físico Lord Kelvin havia defendido uma Terra consideravelmente mais jovem, citando a inadequação das fontes de energia conhecidas. No entanto, Rutherford, durante palestra assistida por Kelvin, destacou que a radioatividade oferecia uma solução viável para esta discrepância cronológica. Em 1907, ele voltou para a Grã-Bretanha para assumir o cargo de professor Langworthy na Victoria University of Manchester.

Em Manchester, Rutherford persistiu em sua pesquisa sobre a radiação alfa. Colaborando com Hans Geiger, ele projetou telas de cintilação de sulfeto de zinco e câmaras de ionização para a enumeração de partículas alfa. Através da divisão da carga total acumulada na tela pela contagem de partículas observada, Rutherford verificou que cada partícula alfa carregava uma carga de duas unidades. No final de 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds facilitaram a passagem de partículas alfa através de uma janela excepcionalmente fina para um tubo evacuado. Ao iniciar uma descarga elétrica dentro do tubo, o espectro resultante evoluiu à medida que as partículas alfa se acumularam progressivamente. Em última análise, surgiram linhas espectrais distintas do gás hélio, demonstrando assim que as partículas alfa constituíam pelo menos átomos de hélio ionizados e, muito provavelmente, núcleos de hélio. Em 1910, Rutherford, ao lado de Geiger e do matemático Harry Bateman, foi coautor de uma publicação seminal detalhando a análise inaugural da distribuição temporal das emissões radioativas, um padrão estatístico agora reconhecido como distribuição de Poisson.

Desenvolvimento de modelo atômico

Rutherford sustentou suas contribuições científicas pioneiras muito além da recepção do Prêmio Nobel em 1908. Em 1909, sob sua orientação, Hans Geiger e Ernest Marsden conduziram o experimento crucial Geiger-Marsden, que estabeleceu conclusivamente o caráter nuclear dos átomos através da medição da deflexão de partículas alfa ao atravessar uma fina folha de ouro. Rutherford instruiu especificamente Geiger e Marsden a investigar partículas alfa exibindo ângulos de deflexão excepcionalmente altos durante este experimento, um fenômeno totalmente imprevisto pelas teorias contemporâneas da matéria. Apesar de sua raridade, ângulos de deflexão tão significativos foram de fato observados. Em uma reflexão retrospectiva durante uma de suas palestras finais, Rutherford observou a famosa observação: "Foi o evento mais incrível que já aconteceu comigo na minha vida. Foi quase tão incrível como se você disparasse um projétil de 15 polegadas contra um pedaço de papel de seda e ele voltasse e atingisse você." A interpretação subsequente de Rutherford desses dados experimentais levou diretamente à sua proposição do núcleo atômico: uma região minúscula e carregada que abrange a maior parte da massa de um átomo. Em 1912, Niels Bohr juntou-se a Rutherford, postulando posteriormente que os elétrons ocupavam caminhos orbitais distintos ao redor do núcleo compacto. Bohr então modificou a estrutura nuclear proposta por Rutherford para alinhá-la com a hipótese quântica de Max Planck. O modelo de Bohr resultante serviu como estrutura fundamental para a física atômica da mecânica quântica de Heisenberg, um paradigma que mantém sua validade na compreensão contemporânea.

Pesquisa sobre Piezoeletricidade

Durante a Primeira Guerra Mundial, Rutherford se envolveu em uma iniciativa altamente secreta destinada a resolver os desafios práticos associados à detecção de submarinos. Tanto Rutherford quanto Paul Langevin propuseram independentemente a aplicação da piezoeletricidade, com Rutherford projetando com sucesso um dispositivo capaz de medir sua saída. A subsequente integração da piezoeletricidade provou ser indispensável para o avanço da moderna tecnologia de ultrassom. No entanto, a afirmação de que Rutherford desenvolveu o sonar é errônea, dado que os sistemas contemporâneos de detecção subaquática empregam principalmente o transdutor de Langevin.

A descoberta do próton

Em 1913, em colaboração com H.G. Moseley, Rutherford estabeleceu o sistema de numeração atômica. Seus experimentos conjuntos envolveram o bombardeio de diversos elementos com fluxos de elétrons de raios catódicos, revelando que cada elemento exibia uma resposta consistente e única. A sua investigação pioneira foi a primeira a afirmar que cada elemento poderia ser fundamentalmente definido pelas características das suas estruturas internas, uma observação que posteriormente contribuiu para a descoberta do núcleo atómico. Esta investigação levou Rutherford a teorizar que o átomo de hidrogénio, então reconhecido como a entidade menos massiva que possui uma carga positiva, funcionava como um "elétron positivo" - um constituinte fundamental de todos os elementos atômicos. Rutherford desenvolveu ainda mais sua teoria do "elétron positivo" através de uma série de experimentos iniciados em 1919, pouco antes da conclusão de seu mandato em Manchester. Ele observou que o nitrogênio e outros elementos leves emitiam um próton – que ele chamou de “átomo de hidrogênio” – após bombardeio com partículas alfa (α). Especificamente, ele demonstrou que as partículas ejetadas de colisões entre partículas alfa e hidrogênio possuíam uma carga positiva unitária e um quarto do momento das partículas alfa incidentes.

Rutherford retornou ao Laboratório Cavendish em 1919, assumindo o papel de Professor Cavendish de Física, cargo anteriormente ocupado por J. J. Thomson. Ele manteve esta cátedra até seu falecimento em 1937. Durante sua liderança, vários prêmios Nobel foram conferidos: James Chadwick recebeu reconhecimento pela descoberta do nêutron em 1932; John Cockcroft e Ernest Walton foram homenageados por seu experimento pioneiro envolvendo um acelerador de partículas, que ficou conhecido como “divisão do átomo”; e Edward Appleton foi premiado por demonstrar a existência da ionosfera.

Desenvolvimento da teoria de prótons e nêutrons

Entre 1919 e 1920, Rutherford avançou nas suas investigações sobre o "átomo de hidrogénio", com o objectivo de confirmar que as partículas alfa podiam desintegrar os núcleos de azoto e determinar a natureza dos produtos resultantes. Suas descobertas indicaram que os núcleos de hidrogênio constituíam um componente dos núcleos de nitrogênio e, por extensão, provavelmente de outros núcleos atômicos. Este arranjo estrutural foi hipotetizado por um longo período, com base em pesos atômicos sendo múltiplos integrais da massa do hidrogênio. Dado que o hidrogénio foi reconhecido como o elemento mais leve e os seus núcleos foram considerados os mais leves, Rutherford concluiu que um núcleo de hidrogénio poderia servir como um constituinte fundamental de todos os núcleos. Além disso, ele a considerou uma partícula fundamental potencialmente nova, já que nenhum núcleo mais leve era então conhecido. Consequentemente, em 1920, com base e expandindo o trabalho de Wilhelm Wien, que identificou o próton em fluxos de gás ionizado em 1898, Rutherford propôs o núcleo de hidrogênio como uma nova partícula, que ele designou de próton. Em 1921, colaborando com Niels Bohr, Rutherford desenvolveu uma estrutura teórica para a existência de nêutrons, um termo que ele introduziu em seu livro Bakerian de 1920 Palestra. Ele postulou que essas partículas poderiam neutralizar as forças repulsivas entre prótons carregados positivamente, gerando uma força nuclear atrativa, evitando assim a dissociação dos núcleos atômicos. A principal alternativa aos nêutrons envolvia o conceito de “elétrons nucleares”, que neutralizaria algumas das cargas de prótons dentro do núcleo. Essa alternativa surgiu porque, naquela época, se entendia que os núcleos possuíam aproximadamente o dobro da massa que poderia ser explicada se fossem compostos apenas por núcleos de hidrogênio (prótons). No entanto, o mecanismo pelo qual estes hipotéticos electrões nucleares poderiam ser confinados dentro do núcleo permaneceu um enigma não resolvido.

A teoria dos neutrões de Rutherford recebeu validação empírica em 1932 através do trabalho do seu colega, James Chadwick. Chadwick identificou prontamente nêutrons quando foram gerados por outros pesquisadores e posteriormente por ele mesmo, através do bombardeio de berílio com partículas alfa. Por esta descoberta crucial, Chadwick foi homenageado com o Prêmio Nobel de Física em 1935.

Reação Nuclear Induzida e Sondagem do Núcleo

Em sua abrangente publicação de quatro partes, "Colisão de partículas α com átomos leves", Rutherford detalhou duas descobertas adicionais profundas e significativas. Em primeiro lugar, ele demonstrou que a dispersão de partículas alfa do hidrogénio em ângulos elevados desviava-se das previsões teóricas que tinha publicado em 1911. Estas observações representaram a evidência empírica inicial para as fortes interacções que ligam os núcleos atómicos. Em segundo lugar, ele estabeleceu que as partículas α que colidissem com núcleos de nitrogênio sofreriam uma reação nuclear em vez de apenas se espalharem. A reação rendeu um próton como um produto, enquanto o outro produto foi identificado como oxigênio por Patrick Blackett, colega e ex-aluno de Rutherford:

14N + α → 17O + p.

Consequentemente, Rutherford reconheceu "que o núcleo pode aumentar em vez de diminuir em massa como resultado de colisões nas quais o próton é expelido". Blackett recebeu o Prêmio Nobel em 1948 por suas contribuições no refinamento do aparelho de câmara de nuvens de alta velocidade, o que facilitou esta e inúmeras outras descobertas.

Vida e Morte Pessoal

Em 1900, Rutherford casou-se com Mary Georgina Newton (1876–1954) na Igreja Anglicana de São Paulo em Papanui, Christchurch; eles estavam noivos antes de sua partida da Nova Zelândia. O casal teve uma filha, Eileen Mary (1901–1930), que mais tarde se casou com o físico Ralph Fowler e faleceu tragicamente durante o nascimento de seu quarto filho. As atividades de lazer de Rutherford incluíam golfe e automobilismo. Durante sua gestão em Manchester, Rutherford residiu no subúrbio de Withington, especificamente em Wilmslow Road. Esta residência é atualmente designada como Rutherford Lodge e foi comemorada com uma placa azul em 2012. Além disso, um memorial está embutido na calçada em frente à Biblioteca Withington.

Antes de sua morte, Rutherford sofria de uma hérnia negligenciada que acabou sendo estrangulada, levando a uma doença grave. Apesar de ter passado por uma cirurgia de emergência em Londres, ele faleceu quatro dias depois em Cambridge, em 19 de outubro de 1937, aos 66 anos, devido ao que os profissionais médicos diagnosticaram como "paralisia intestinal". Após a cremação no Golders Green Crematorium, ele recebeu a distinta honra de ser enterrado na Abadia de Westminster, ao lado de proeminentes cientistas britânicos como Isaac Newton e Charles Darwin.

Reconhecimento

Associações

Prêmios

Chivalry

Legado

Durante a sessão inaugural do Congresso Indiano de Ciência de 1938, um evento que Rutherford deveria presidir antes de sua morte, o astrofísico James Jeans fez um discurso em seu lugar, caracterizando-o como "um dos maiores cientistas de todos os tempos" e afirmando:

Em seu talento para a linha correta de abordagem de um problema, bem como na franqueza simples de seus métodos de ataque, [Rutherford] muitas vezes nos lembra Faraday, mas ele tinha duas grandes vantagens que Faraday não possuía, primeiro, exuberante saúde corporal e energia, e segundo, a oportunidade e capacidade de dirigir um grupo de colegas de trabalho entusiasmados. Por melhor que tenha sido o trabalho de Faraday, parece-me que, para igualar o trabalho de Rutherford em quantidade e qualidade, devemos voltar a Newton. Em alguns aspectos ele teve mais sorte do que Newton. Rutherford sempre foi um guerreiro feliz – feliz em seu trabalho, feliz em seus resultados e feliz em seus contatos humanos.

Física Nuclear

Rutherford é reconhecido como "o pai da física nuclear" devido à sua pesquisa pioneira e ao trabalho conduzido sob sua direção como chefe de laboratório, que elucidou coletivamente a estrutura nuclear do átomo e definiu o decaimento radioativo como um processo nuclear fundamental. Patrick Blackett, um pesquisador supervisionado por Rutherford, utilizou partículas alfa naturais para demonstrar a transmutação nuclear induzida. Posteriormente, o grupo de pesquisa de Rutherford empregou prótons derivados de aceleradores para obter reações nucleares e transmutação induzidas artificialmente.

A morte de Rutherford ocorreu antes da realização do conceito de Leó Szilárd de reações nucleares controladas em cadeia. No entanto, Szilárd supostamente se inspirou para a possibilidade de uma reação em cadeia nuclear controlada e produtora de energia em um discurso de Rutherford sobre sua transmutação artificialmente induzida em lítio, que foi publicado na edição de 12 de setembro de 1933 do The Times. através do bombardeio com prótons de um acelerador de partículas autoconstruído. Embora Rutherford reconhecesse a imensa energia libertada dos átomos de lítio fissionados, ele também reconheceu que a entrada substancial de energia necessária para o acelerador, juntamente com a sua inerente ineficiência na divisão de átomos através deste método, tornou o esforço impraticável como fonte de energia viável. (Mesmo atualmente, a fissão de elementos leves induzida por acelerador permanece insuficientemente eficiente para tais aplicações.) Um segmento do discurso de Rutherford afirmou:

Poderíamos nestes processos obter muito mais energia do que o protão fornecido, mas em média não poderíamos esperar obter energia desta forma. Era uma forma muito pobre e ineficiente de produzir energia, e qualquer um que procurasse uma fonte de energia na transformação dos átomos estava falando de bebida alcoólica. Mas o assunto era cientificamente interessante porque dava uma visão sobre os átomos.

Em 1997, o elemento rutherfórdio (Rf, Z=104) foi designado em homenagem a Rutherford.

Na cultura popular

Andrew Hodwitz retratou Rutherford em "Staring Blindly into the Future", episódio 11 da 13ª temporada (exibido em 13 de janeiro de 2020), dentro da série de detetives históricos canadenses Murdoch Mysteries.

Publicações

Livros