Ernest Rutherford

Chi era

Ernest Rutherford fu un fisico neozelandese, nato in una famiglia di coloni sull’isola del Sud e diventato in Inghilterra uno dei maggiori sperimentatori del Novecento. Lo si ricorda come il padre della fisica nucleare: mostrò che la radioattività è la trasformazione spontanea di un tipo di atomo in un altro, scoprì che l’atomo ha al centro un nucleo minuscolo e carico, e per primo provocò in laboratorio la trasmutazione di un elemento. Per i suoi studi sulla disintegrazione degli elementi gli fu assegnato, nel 1908, il Nobel di chimica. Morì a Cambridge il 19 ottobre 1937, a sessantasei anni, e le sue ceneri riposano nell’abbazia di Westminster.

Infanzia e studi in Nuova Zelanda

Nacque il 30 agosto 1871 a Spring Grove, oggi Brightwater, nella provincia di Nelson, quarto di dodici figli di James Rutherford, meccanico scozzese originario di Perth, e di Martha Thompson, maestra inglese; i genitori erano emigrati in Nuova Zelanda nel 1842 e nel 1855. Sul certificato di nascita il nome fu scritto per errore «Earnest», e in famiglia lo chiamavano Ern. Quando aveva cinque anni la famiglia si trasferì a Foxhill; nel 1883 passò a Havelock, nei Marlborough Sounds, per stare più vicina alla fabbrica di lino gestita dal padre, e Ernest frequentò la scuola del paese.

Nel 1887, al secondo tentativo, vinse una borsa di studio per il Nelson College, dove rimase fino al 1889 e fu capo degli studenti; giocava anche a rugby. Nel 1889 ottenne un’altra borsa, per il Canterbury College di Christchurch, parte dell’Università della Nuova Zelanda. Lì conseguì la laurea in lettere nel 1892, una laurea magistrale con il massimo dei voti in matematica e fisica nel 1893 e, nel 1894, quella in scienze. Le sue prime ricerche riguardarono la magnetizzazione del ferro con scariche ad alta frequenza, e lo portarono a costruire un rivelatore di onde elettromagnetiche. Prima di partire si fidanzò con Mary Newton, di Christchurch.

Cambridge

Nel 1895 una borsa di ricerca della Commissione reale per l’Esposizione del 1851 gli permise di andare al laboratorio Cavendish di Cambridge, sotto la guida di J. J. Thomson. Fu tra i primi ricercatori senza una laurea di Cambridge ad accedervi. Con l’aiuto di Thomson riuscì a captare onde radio a circa 800 metri, un record di breve durata: alla riunione della British Association del 1896 scoprì che Guglielmo Marconi aveva già trasmesso un messaggio a quasi 16 chilometri. Poi lavorò con Thomson sugli effetti dei raggi X nei gas, studi che portarono alla scoperta dell’elettrone, e cominciò a occuparsi dei raggi emessi dall’uranio, di cui distinse due tipi con diverso potere di penetrazione. Nel 1898, raccomandato da Thomson, accettò la cattedra Macdonald di fisica alla McGill University di Montréal.

Montréal: la radioattività

A McGill Rutherford trovò mezzi per lavorare e un laboratorio ben fornito. Chiamò raggi alfa e beta le due radiazioni dell’uranio (1899 secondo la Wikipedia inglese; la biografia del Nobel li dice già annunciati nel 1898). Dal 1900 lavorò insieme al giovane chimico Frederick Soddy, che avrebbe vinto il Nobel per la chimica nel 1921, e insieme a R. B. Owens studiò l’emanazione del torio, scoprendo un gas nobile, isotopo del radon, chiamato toron. Osservò che in qualunque campione radioattivo occorre sempre lo stesso tempo perché la metà si trasformi: il tempo di dimezzamento, espressione coniata da lui. La memoria con Soddy, «Law of Radioactive Change», sostenne che la radioattività è la disintegrazione spontanea degli atomi in altra materia. Era una tesi rivoluzionaria, perché fino ad allora gli atomi si consideravano indistruttibili.

Nel 1903 riconobbe come una radiazione distinta, molto più penetrante, quella segnalata da Paul Villard nel 1900 e le diede il nome di raggi gamma. Nel 1904 sostenne, in una conferenza a cui assisteva lord Kelvin, che la radioattività poteva fornire l’energia necessaria a tenere acceso il Sole per i milioni di anni che l’evoluzione richiedeva, e propose di usare il tempo di dimezzamento come orologio per datare la Terra, che risultò molto più vecchia di quanto molti pensassero. Fu eletto membro della Royal Society nel 1903. Nel 1905-1906 lavorò con lui a Montréal anche Otto Hahn, il futuro scopritore della fissione nucleare.

Manchester: il nucleo

Nel 1907 tornò in Gran Bretagna con la cattedra Langworthy all’Università di Manchester, dove succedeva ad Arthur Schuster. Con Hans Geiger sviluppò schermi allo solfuro di zinco e camere di ionizzazione per contare le singole particelle alfa, e dimostrò che la loro carica è due. Alla fine del 1907 lui e Thomas Royds fecero passare particelle alfa attraverso una sottilissima parete in un tubo vuoto: scaricando il tubo, comparve a poco a poco lo spettro dell’elio. Le alfa erano dunque atomi di elio ionizzati, o meglio nuclei di elio. Nel 1908 gli fu assegnato il Nobel di chimica.

La scoperta più importante venne dopo. Nel 1909 Geiger ed Ernest Marsden, per suggerimento suo, cercarono particelle alfa deviate a grandi angoli attraverso una lamina d’oro, cosa che nessuna teoria prevedeva. Qualcuna fu trovata. Anni dopo Rutherford raccontò che era stato il fatto più incredibile della sua vita, come sparare un proiettile da 15 pollici contro un foglio di carta velina e vederselo tornare indietro. Interpretando quei dati propose, nel 1911, che la carica positiva e quasi tutta la massa dell’atomo fossero concentrate in un nucleo minuscolo. Nel 1912 arrivò a Manchester Niels Bohr, che adattò il modello nucleare alle idee quantistiche di Planck e ne ricavò il modello atomico che porta il suo nome. Nel 1913, con Henry Moseley, Rutherford mostrò che a ogni elemento corrisponde un numero atomico.

Durante la prima guerra mondiale lavorò a un progetto segreto per individuare i sottomarini, in cui propose l’uso della piezoelettricità, che sarebbe poi stata essenziale per gli ultrasuoni; la Wikipedia inglese precisa però che non fu lui a inventare il sonar. Nel 1914 ricevette il titolo di Sir. Intanto continuava a bombardare l’azoto con particelle alfa: nel 1919 ne vide uscire protoni, la prima trasformazione artificiale di un elemento. Patrick Blackett dimostrò poi che l’azoto si trasformava in un isotopo dell’ossigeno.

Il Cavendish

Nel 1919 succedette a Thomson come professore e direttore del Cavendish (la Wikipedia italiana scrive 1917, ma la biografia Nobel, Treccani e la Wikipedia inglese indicano il 1919). Nel 1920, in una conferenza alla Royal Society, diede il nome di protone al nucleo dell’idrogeno e ipotizzò l’esistenza dei neutroni. Sotto la sua guida lavorarono James Chadwick, che scoprì il neutrone nel 1932, e John Cockcroft ed Ernest Walton, che nello stesso anno riuscirono a scindere il nucleo con un acceleratore. Il collega russo Pëtr Kapica lo chiamava «il coccodrillo», un modo di mostrargli rispetto, e un coccodrillo decora ancora il vecchio Cavendish. Gli altri futuri premi Nobel passati dal suo laboratorio furono Blackett, G. P. Thomson, Appleton, Powell e Aston.

Fu anche un uomo pubblico. Entrò nell’Order of Merit nel 1925, fu Presidente della Royal Society dal 1925 al 1930 e nel 1931 venne creato Barone Rutherford di Nelson (1931 per la biografia Nobel e la Wikipedia italiana, 1932 per Treccani). Presiedette l’Academic Assistance Council, che aiutava i professori tedeschi in fuga dal loro paese. Nel 1925 fece l’ultimo viaggio in Nuova Zelanda, dove fu accolto come un eroe. Nel 1933, parlando di quanto poca energia si ricavasse dalla scissione del litio, disse che chi cercava una fonte di energia nella trasformazione degli atomi parlava a vanvera; il fisico Leó Szilárd riferì però che proprio quell’articolo del Times gli fece venire l’idea di una reazione a catena controllata.

Vita privata

Si sposò nel 1900 a Christchurch, nella chiesa anglicana di St Paul a Papanui, con Mary Georgina Newton, fidanzata prima della sua partenza. Ebbero una figlia, Eileen Mary (1901-1930), che sposò il fisico Ralph Fowler e morì per il parto del quarto figlio. Rutherford amava il golf e le automobili. A Manchester abitava a Withington, in una casa oggi chiamata Rutherford Lodge, che nel 2012 ha avuto una targa blu. Le fonti discordano sull’anno della morte della moglie: 1954 per le Wikipedie inglese e francese, 1945 per quella tedesca.

Le scoperte

• 1898-1899: i raggi alfa e beta nelle radiazioni dell’uranio.
• 1900-1902: il tempo di dimezzamento e la teoria della disintegrazione radioattiva, con Soddy.
• 1903: i raggi gamma.
• 1908: i raggi alfa come nuclei di elio, con Royds.
• 1909-1911: la deviazione delle particelle alfa e il nucleo atomico.
• 1913: il numero atomico degli elementi, con Moseley.
• 1919: la prima trasmutazione artificiale e il protone.
• 1920: l’ipotesi del neutrone.

La morte

Secondo la Wikipedia inglese, da tempo Rutherford aveva una piccola ernia che non si decideva a curare. L’ernia si strozzò e lo fece star male; fu operato d’urgenza a Londra e morì quattro giorni dopo a Cambridge, il 19 ottobre 1937, per quella che i medici chiamarono «paralisi intestinale». La Wikipedia francese racconta la cosa in modo diverso: sarebbe entrato in ospedale per un piccolo intervento dopo essersi fatto male tagliando alberi nella sua proprietà, e le sue condizioni sarebbero peggiorate all’improvviso. Il giorno e il luogo, 19 ottobre 1937 e Cambridge, sono concordi in Wikidata, nelle Wikipedie, nella biografia Nobel e in Britannica; Treccani dà solo l’anno e la città.

Nel 1938, in apertura del congresso della scienza indiano che doveva presiedere, l’astrofisico James Jeans parlò al suo posto e lo definì uno dei più grandi scienziati di sempre, paragonabile a Faraday e, per quantità e qualità di lavoro, a Newton.

Dove riposa

Dopo la cremazione al Golders Green Crematorium, a Londra, alle sue ceneri fu concesso l’onore della sepoltura nell’abbazia di Westminster. Secondo la biografia del premio Nobel, riposano nella navata, a ovest della tomba di Isaac Newton e accanto a quella di lord Kelvin; la Wikipedia inglese ricorda anche la vicinanza con Charles Darwin.

L’eredità

Dal 1997 l’elemento 104 si chiama rutherfordio. Il suo ritratto è sulla banconota neozelandese da cento dollari dal 1999 e compare su francobolli di vari paesi; gli sono intitolati un asteroide, 1249 Rutherfordia, e un cratere lunare. A Brightwater, dove nacque, un monumento segna il luogo di nascita. Nel 1977 McGill ha dato il suo nome a un edificio.

Date da ricordare

• 30 agosto 1871: nasce a Spring Grove, vicino a Nelson.
• 1895: arriva al Cavendish di Cambridge.
• 1898: cattedra alla McGill University.
• 1908: premio Nobel per la chimica.
• 1911: il nucleo atomico.
• 1919: prima trasmutazione artificiale; guida del Cavendish.
• 1931: Barone Rutherford di Nelson.
• 19 ottobre 1937: muore a Cambridge.