Ernest Rutherford, Nelsonin ensimmäinen paroni Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30. elokuuta 1871 Spring Grove, Uusi-Seelanti – 19. lokakuuta 1937 Cambridge, Englanti, Yhdistynyt kuningaskunta) oli Uudessa-Seelannissa syntynyt brittiläinen fyysikko.
Rutherford sai lapsuudestaan asti mahdollisuuden koulutukseen ja käytti sen hyväkseen menestyen opinnoissaan. Hän teki omia tutkimuksia jo opiskeluaikana ja pääsi ensimmäiseen tutkimusryhmään jatko-opiskelijana Cambridgen yliopistossa, Englannissa. Tästä saivat alkunsa fyysikon tutkimukset radioaktiivisuuden parissa. Ne jatkuivat läpi koko hänen elämänsä eri yliopistoissa ympäri maailmaa tuoden merkittäviä saavutuksia.
Fysiikan suurista löydöistä hänen nimiinsä luetaan atomin ytimen löytäminen; sen hän teki kokeella, joka nykyään tunnetaan Rutherfordin kokeena. Hän tutki radioaktiivisuutta ja otti ensimmäisenä käyttöön termit alfa-, beta-, ja gammasäteily. Rutherford havaitsi ensimmäisenä, että radioaktiivisesta aineesta puolet hajoaa vakioajassa (puoliintumisaika). Rutherford myös löysi protonin ja teki hypoteesin atomin varauksettomista hiukkasista, neutroneista. Rutherford sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1908 radioaktiivisten alkuaineiden kemiaa koskevista tutkimuksista.
Lapsuus Ernest syntyi Spring Grovessa Uudessa-Seelannissa 30. elokuuta 1871. Ernestin isä, James Rutherford, ja äiti, Martha Thompson, olivat molemmat muuttaneet 1800-luvun puolivälissä vanhempiensa kanssa Uuteen Seelantiin, isä James 4-vuotiaana Skotlannista ja äiti Martha 13-vuotiaana Englannista. Ernest syntyi keskiluokkaiseen perheeseen. Eri lähteiden mukaan hänen isänsä toimi elämänsä aikana maanviljelijänä ja pellavamyllärinä sekä piti omaa sahaa, jossa nuori Ernest myös paljon työskenteli. Ernestin ympärillä pyörikin ahkeria työläisiä, joilla oli hyvät tekniset taidot. Lisäksi hänen isänsä korjasi ja huolsi erilaisten myllyjen koneita ja osia. Hänen äitinsä oli opettaja, joka opetti itse kaikki lapsensa lukemaan ja kirjoittamaan. Lapsia Rutherfordin perheeseen syntyi 12, viisi tyttöä ja seitsemän poikaa. Ernest oli neljäs lapsi ja toiseksi vanhin poika. Ernestin veljistä kolme kuoli jo lapsina, yksi syntyessään ja kaksi hukkui surullisesti yhteisellä perheretkellä. Tämä johti Ernestin äidin masentumiseen, josta hän ei elämänsä aikaan koskaan toipunut.
Kouluvuodet Rutherfordin lapset saivat kaikki hyvän koulutuksen, koska vanhemmat arvostivat koulutusta. Vanhempien arvostus johtui siitä, että isä Jamesilla ei ollut koskaan mahdollisuutta siihen ja äiti Martha taas oli sen saanut. Hänen äitinsä uskoi, että kaikki tieto on valtaa (’all knowledge is power’). Ernest kävi kouluvuotensa kulloisenkin asuinpaikkansa maalaiskouluissa aina vuoteen 1886 asti (Foxhillin ala-aste 1876–81, Havelockin ala-aste 1882–86). Ensimmäisen luonnontieteiden kirjansa hän sai koulusta 10-vuotiaana. Samana vuonna Rutherford rakensi itse oman pienoistykin, joka sitten räjähtikin aiheuttamatta onneksi vahinkoa.
Opiskeluvuodet Vuonna 1887 15-vuotias Ernest sai toisella yrittämällään Marlboroughin opetushallituksen stipendin Nelsonin Collegeen, yksityiseen lukioon. Hän muutti pois kotoaan ja opiskeli lukiossa menestyksekkäästi kaikissa aineissa, erityisesti matematiikassa ja luonnontieteissä. Opiskelujensa ohessa hän pelasi innokkaasti rugbya. Lukion jälkeen vuonna 1890, jälleen toisella yrittämällään, Ernest onnistui saamaan stipendin Canterbury Collegeen Christchurchiin yhteen neljästä Uuden-Seelannin yliopistoista. Canterburyssä Rutherford oli onnekas saadessaan opettajakseen loistavia professoreita, jotka saivat hänet toden teolla kiinnostumaan tieteellisestä tutkimuksesta. Kolmen vuoden tutkinnon aikana hän opiskeli mm. latinaa, ranskaa ja matematiikkaa. Samalla hän teki laboratoriossa niin monia fysiikan kokeita kuin mahdollista. 1892 hän valmistui (Bachelor of Arts) aineinaan matematiikka, sovellettu matematiikka, latina, englanti, ranska ja fysiikka. Huippuarvosanojen ansiosta hänelle myönnettiin stipendi vuoden jatko-opintoihin ("Honours" year). Tämän lisävuoden aikana Rutherford suoritti geologian ja kemian opinnot (Bachelor of Science). Hän opiskeli myös lisää matematiikan ja fysiikan opintoja tehden samalla itsenäistä tutkimusta keskittyen pääasiallisesti sähkö- ja magnetismioppiin. Hän tutki tuolloin pääasiassa korkean taajuuden magneettista induktiota sekä raudan ja teräksen magneettista viskositeettia, joista hän teki myös ensimmäiset kirjalliset julkaisunsa. Tutkimuksiensa aikana hän kehitti myös muutamia fysiikan uusia laitteita mm. nopeiden virtapulssien ilmaisimen. Näihin aikoihin hän tutustui ja rakastui Mary Newtoniin, opiskelujensa aikaisen asuntonsa omistajan tyttäreen.
Jatko-opiskelijana yliopistossa Sähkömagneettisen säteilyn siirtäminen ja vastaanotto Raudan magnetisointi oskillatorisen purkauksen avulla alfa (α)- ja beta (β-) säteily
Yliopisto-opiskelujensa jälkeen Rutherfordin toiveissa oli päästä tutkijaksi Cambridgen yliopiston Cavendishin laboratorioon Englantiin. Hänen toiveensa toteutui onnekkaasti, kun toinen hakijoista James Maclaurin kieltäytyi paikasta, koska ei suostunut stipendin ehtoihin. Niinpä Rutherford lähti Uudesta-Seelannista Englantiin ja hänestä tuli ensimmäinen Cambridgen ulkopuolella valmistunut jatko-opiskelija (1895–98). Näin Rutherford aloitti tutkimustyönsä professori J.J. Thompsonin tutkimusryhmässä Cambridgen yliopiston Cavendishin laboratoriossa. Kunnianhimoisena jatko-opiskelijana hän onnistui ensimmäisenä siirtämään ja vastaanottamaan sähkömagneettisia aaltoja. Hän onnistui tutkimuksissaan siirtämään sähkömagneettisia aaltoja puolen mailin matkan, mikä oli silloinen maailmanennätys. Sen lisäksi että Rutherford osoitti, että oskillatorinen purkaus magnetisoi raudan, hän selvitti, että magnetisoitu neula menetti magneettisuuttaan vaihtovirralla tuotetussa magneettikentässä. Tämä teki neulasta sähkömagneettisen säteilyn ilmaisimen, minkä oli juuri samoihin aikoihin havainnut myös saksalainen fyysikko Heinrich Hertz omassa laboratoriossaan. Rutherfordin tulokset olivat yksinkertaisempia ja niissä oli enemmän kaupallista potentiaalia. Kun Rutherford kuuli saksalaisen Wilhelm Röntgenin löytämistä röntgensäteistä, hän siirtyi J.J Thompsonin pyynnöstä mielihyvin tutkimaan röntgensäteilyn vaikutusta sähkön johtumiseen kaasuissa. Thompsonin ja Rutherfordin tutkimukset johtivat ionisaation havaitsemiseen eli atomien ja molekyylien hajoamiseen positiivisiin ja negatiivisiin osiin (ioneihin) sekä näiden varautuneiden partikkelien vetovoimaisuuteen vastakkaismerkkisiin elektrodeihin. Rutherfordin tutkimukset keskittyivät lisäksi ioneja tuottavaan säteilyyn, ultraviolettisäteilyyn sekä uraanista emittoituvaan säteilyyn. Rutherford havaitsi tutkimuksissaan, että uraanista emittoituva säteily oli paljon monimutkaisempaa kuin oli siihen asti ajateltu. Pian hän alkoikin ymmärtää radioaktiivisuuden käsitettä, josta tuli hänen suurin mielenkiintonsa kohde ja sen myötä elämäntyönsä. Vuonna 1898 hänelle selvisi, että radioaktiiviset atomit, hänen tutkimuksissaan uraaniatomit, emittoivat kahdenlaista säteilyä. Hän nimesi säteilyt alfa (α)- ja beta (β-) säteilyksi. Hyvin pian betasäteily osoittautui nopeiksi elektroneiksi. Tämän jälkeen tutkijoiden mielenkiinto kohdistui usean vuoden ajan alfa- ja betasäteilyn tutkimiseen. Tutkimustyönsä lisäksi hän pääsi J.J. Thompsonin kanssa osallistumaan myös Royal Societyn ja British Associationin kokouksiin. Näin hänelle avautui mahdollisuus kertoa tutkimustuloksistaan ja osoittaa lahjakkuutensa ja hän jättikin pysyvät jälkensä Cambridgen yliopistoon.
Tutkimustyö ja saavutukset yliopistoissa McGill-yliopisto, Montreal, Kanada (1898–1907) Nobelin kemian palkintoon (1908) johtaneet tutkimukset Radioaktiivisen hajoamisen teoria Puoliintumisaika Maaperän radioaktiivinen iän määritys Ensimmäisen kirjan, Radioactivity, julkaisu Manchesterin yliopisto, Englanti (1907–19) Nobelin kemian palkinto 1908 Alfahiukkasen identifiointi He2+- ioniksi Ionisoituneiden hiukkasten ilmaisimen kehittäminen Rutherfordin koe Atomin ytimen löytäminen Akustiset menetelmät sukellusveneiden havaitsemiseksi Ensimmäiset ydinreaktiot Cambridgen yliopisto, Cavendish Laboratorio, Englanti (1919–1937) Kokeellisen fysiikan professori Cavendish laboratorion johtaja Tutkimusryhmien perustaja Atomitieteen jatkotutkimuksia Neutronin löytyminen ja atomin ytimen rakenne Ydinreaktioiden ymmärtämisen tärkeät askeleet Ensimmäinen fuusioreaktio
McGill-yliopisto, Montreal, Kanada (1898–1907) Vuonna 1898 Rutherford otti vastaan McGill yliopiston professuurin Montrealiin Kanadaan (1898–1907). Yliopistolla oli hyvin varustellut laboratoriot, minkä vuoksi Rutherford siirtyi valtameren toiselle puolelle. Hän otti tutkimuksiinsa avukseen nuoren kemistin Frederick Soddyn sekä assistentiksi jatko-opiskelijan Harriet Brooksin. Heidän avullaan hän osoitti radioaktiivisen hajoamisen mysteerin: joidenkin alkuaineiden atomit hajoavat spontaanisti kevyempien alkuaineiden atomeiksi. Tämä oli yksi hänen uransa läpimurroistaan. Selvitettyään, että uraanin lopullinen hajoamistuote on lyijy, Rutherford tajusi, että mittaamalla uraanin ja lyijyn suhteellinen osuus mineraaleissa sekä uraaniatomien hajoamisnopeus voitaisiin selvittää mineraalien ikä. Maaperän näytteiden radioaktiivinen iänmääritys on tärkeä osa nykypäivänkin geologista tutkimusta. Raskaiden alkuaineiden hajoamistutkimusten tuloksena syntyi käsite puoliintumisaika eli aika, jonka kuluessa puolet radioaktiivisen aineen atomiytimistä on hajonnut toisiksi atomiytimiksi.
Vuosina 1902–1903 Rutherford ja Soddy kehittivät hajoamisteorian selityksenä radioaktiivisuudelle, mitä pidetään Rutherfordin suurimpana saavutuksena McGillin yliopistossa. Alkemiassa ja siirtymäalkuaineiden teoriassa atomeja pidettiin pysyvinä, mutta Rutherford ja Soddy väittivät, että radioaktiivinen energia tuli atomin sisältä ja spontaanin alfa- ja betahiukkasten emissio merkitsi atomien kemiallista muutosta alkuaineesta toiseen. Kokeellisten tutkimusten ylivoimainen näyttö tukahdutti epäilijät. Rutherford ajatteli alfahiukkasen olevan suurin tekijä tälle kemialliselle muutokselle alfahiukkasen konkreettisen massan vuoksi. Hän määritti alfahiukkaselle positiivisen varauksen, mutta ei saanut vielä selville oliko se vety- vai heliumioni.
McGill yliopistossa olonsa aikana Rutherford otti laboratorioonsa yhä useampia tutkijaopiskelijoita, mukaan lukien naisia, joita tuohon aikaan opiskeli yliopistossa vain muutamia. Hän oli kysytty puhuja ja lehtiartikkeleiden kirjoittaja. Hänet valittiin vuonna 1900 Kanadan ja 1903 Lontoon Royal Societyn jäseneksi. Hän kirjoitti tällä kaudella myös tärkeimpiä radioaktiivisuuden oppikirjoja. Hänen ensimmäisen kirjansa Radioactivity julkaistiin vuonna 1904. Hänelle myönnettiin apurahoja ja hän sai mitaleita ja paljon työtarjouksia. Myöhemmin vuonna 1908 hän sain Nobelin kemian palkinnon tutkimuksistaan alkuaineiden hajoamisesta sekä radioaktiivisten aineiden kemiallisista tuloksistaan. Hämmentynyt Rutherford usein kertoi ystävilleen, että nopein muutos minkä hän tiesi, oli hänen siirtyminen fyysikosta kemistiksi.
Vuonna 1900 Rutherford palasi hetkeksi Uuteen-Seelantiin mennäkseen naimisiin rakastettunsa Mary Newtonin kanssa. Heidän ainoa lapsensa Eileen syntyi 1901. Pariskunta vieraili Uudessa-Seelannissa vuonna 1905 uudistaakseen siteitään perheisiinsä.
Rutherford ei halunnut koskaan pysyä kauaa paikoillaan ja hän pyöritteli usein uusia vaihtoehtoisia mahdollisuuksia mielessään. Pohjois-Amerikassa oli hyvä tiedeyhteisö, mutta maapallon fysiikan keskus oli kuitenkin Euroopassa. Englanti veti häntä jälleen puoleensa. Englanti oli lähempänä tieteen pääkeskuksia ja siellä oli sekä enemmän että parempia jatko-opiskelijoita. Kun vuonna 1907 Rutherfordille tarjottiin Manchesterin yliopiston johtajan paikkaa, hän ottikin sen vastaan.
Manchesterin yliopisto, Englanti (1907–19)