הניו-זילנדי שפיצח את האטום

"אינשטיין דיבר עליו בהערכה רבה, ונהג לכנות אותו 'ניוטון השני'. בשונה מאינשטיין, שהיה כל כולו חישובים, רתרפורד היה נסיין גאון, אחד הגדולים ביותר", כתב המדען חיים ויצמן, לימים הנשיא הראשון של מדינת ישראל, שהכיר אישית את שני הפיזיקאים. "היה לו חוש שישי בכל הנוגע לניסויים, וכל מה שנגע בו – הפך לזהב."

ארנסט רתרפורד (Rutherford) נולד ב-30 באוגוסט 1871 במושבה הבריטית הצעירה בניו-זילנד, ילדם הרביעי (מבין 12) של הורים שהובאו בילדותם מבריטניה למושבה החדשה. אביו היה מהנדס וחרש גלגלים, שהתמקצע עם השנים בייצור סיבי פשתן. אמו הייתה מורה אהודה מאוד, וכך זכו ארנסט ואחיו לחינוך יסודי משני הצדדים – השכלה מצד האם וידע טכני ותבונת כפיים מצד האב. המשפחה לא הייתה עתירת אמצעים, אך רתרפורד הצליח לממן לעצמו לימודי תיכון בזכות מלגות הצטיינות, ובהמשך גם תואר ראשון באוניברסיטת ניו-זילנד בכרייסטצ'רץ'. הצטיינותו במתמטיקה ובפיזיקה סללה את דרכו למסלול מקוצר לתואר שני, וב-1893 קיבל תואר מוסמך בשני התחומים, עם התמחות בחשמל ומגנטיות.

התחלות קשות

במהלך לימודיו הושפע רתרפורד ממחקריו של הממציא הסרבי-אמריקאי ניקולא טסלה (Tesla), מחלוצי המחקר של הקשר בין חשמל למגנטיות. הסטודנט הצעיר בניו-זילנד המרוחקת פיתח בעקבותיו שני התקנים חדשים – מכשיר פשוט למדידת פרקי זמן קצרים ביותר (החלק ה-100,000 של שנייה) באמצעות החלפה בין מעגלים חשמליים, וגלאי מגנטי של זרמים חשמליים.

על אף הצלחתו המחקרית, התקשה רתרפורד למצוא פרנסה. הוא לא הצליח להשיג משרת הוראה, ונאלץ להסתפק במתן שיעורים פרטיים כדי להמשיך לממן את מחקריו. בסופו של דבר שב ונרשם לאוניברסיטה, משום ששמע על מלגת לימודים המאפשרת לסטודנטים מרחבי האימפריה הבריטית ללמוד ולעבוד בכל מקום שיחפצו, כדי שיתרמו אחר כך מן הידע שלהם לארצות מוצאם.

רתרפורד נרשם שוב ללימודי תואר ראשון, הפעם בגיאולוגיה ובכימיה, והגיש מועמדות למלגה הנכספת, שרק סטודנט אחד מניו-זילנד היה זכאי לה, פעם בשנתיים. מבין שני המועמדים היחידים למלגה, נבחר דווקא יריבו של רתרפורד, ג'יימס מקלורין (Maclaurin) מאוניברסיטת אוקלנד. אך מקלורין, שזה עתה התחתן והשיג משרה באוקלנד, החליט לוותר על המלגה, והיא הועברה בסופו של דבר למתמודד היחיד שנותר. רתרפורד החליט לנצל את ההזדמנות ללימודים במעבדת קאבנדיש היוקרתית שבאוניברסיטת קיימברידג'.

סודות הקרינה

רתרפורד הגיע לקיימברידג' ב-1895, ובחר לעבוד בהדרכתו של ג'וזף ג'ון תומסון (J.J. Thomson), פיזיקאי שייזכר לימים כמגלה האלקטרון. הוא שכלל את הגלאי שבנה בניו-זילנד למַקלט רדיו, ועסק גם בפיתוח שיטות לשידור גלי רדיו לטווח ארוך (בכך התחרה עם מרקוני [Marconi], המוכר לנו כיום כממציא הרדיו).

בהמשך פיתח רתרפורד שיטה לגלות קרינה אלקטרומגנטית. בעבודה משותפת עם תומסון הוכיח כי קרני X (קרני הרנטגן שהתגלו זמן קצר קודם לכן) מקנות לגזים שונים תכונות של מוליכות חשמלית, ומכאן שלמעשה מדובר בצורה אחרת של קרני אור, כלומר קרינה אלקטרומגנטית. כיום אנו יודעים כי אנרגיית הקרינה מערערת את יציבותם של אטומי הגז, גורמת להם לקלוט או לפלוט אלקטרונים והופכת אותם ליונים – אטומים בעלי מטען חשמלי. לכן היא מכונה "קרינה מייננת".

אלפא-בטא

ב-1896 גילה הפיזיקאי הצרפתי אנרי בקרל (Becquerel) קרינה מסוג חדש. כשחקר את תכונותיהם של מלחי אורניום, הבחין באקראי כי הם השחירו לוחות צילום שכלל לא נחשפו לאור, והבין שהם פולטים סוג מסוים של קרינה. את עבודתו בחקר הקרינה המשיכו בני הזוג פייר ומארי קירי (Curie), שהעניקו לה את שמה – קרינה רדיואקטיבית (ב-1903 הוענק לבקרל ולבני הזוג קירי פרס נובל בפיזיקה על גילוי הקרינה הזאת וחקירתה). רתרפורד התעניין גם הוא בקרינה החדשה, ומצא כי למעשה מדובר בשני סוגים שונים של קרינה: קרני אלפא, בעלות טווח קצר מאוד, שקל לעצרן אפילו באמצעות גיליון נייר, וקרני בטא, בעלות טווח ארוך וכושר חדירה המאפשר להן לעבור אפילו דרך מתכת. זמן קצר אחר כך התברר כי קרינת בטא היא שטף של אלקטרונים – החלקיק שזה עתה גילה תומסון (וקיבל על כך פרס נובל בפיזיקה ב-1906).

ב-1898 נקטע שוב מחקרו של רתרפורד. כספי המלגה שקיבל, שנועדו לשנתיים, אזלו, וכך גם המימון הנוסף שהשיג. חוקיה הנוקשים של אוניברסיטת קיימברידג' לא אפשרו לו להתמודד על משרה שם בטרם צבר ארבע שנות ותק במוסד (קיימברידג' שינתה את החוק הזה כעבור שנה). בהיעדר מימון לשנה נוספת, נסע אפוא רתרפורד לקנדה, שם הוצעה לו משרה באוניברסיטת מקגיל שבמונטריאול. המשרה בקנדה גם אפשרה לו לשאת סוף-סוף את מרי ג'ורג'ינה ניוטון, שעמה התארס עוד בטרם עזב את ניו-זילנד. בתם היחידה, איילין, נולדה ב-1901.

התפרקות והצלחה

בקנדה המשיך רתרפורד בחקר הקרינה הרדיואקטיבית, וגילה כי היא מורכבת גם מסוג שלישי של קרינה. הסוג החדש (גמא) הוא קרינה אלקטרומגנטית חזקה עוד יותר מקרני X – כלומר אורך הגל שלה קצר יותר. הוא גילה גם גז רדיואקטיבי שלא היה מוכר עד אז, הראדון. בשנים הבאות עבד בקנדה עם החוקר הבריטי פרדריק סודי (Soddy), וביחד פיצחו השניים את תעלומת הרדיואקטיביות, והוכיחו כי בתהליך הזה אטום כבד מתפרק לשני אטומים קלים יותר, תוך פליטת חלקיקים ואנרגיה.

כשהבין את תהליך הפירוק הזה וחקר את תוצריו, הגה רתרפורד שיטה לחשב את גילן של דוגמאות גיאולוגיות על פי ריכוזי החומר הרדיואקטיבי שהן מכילות, שיטה שעקרונותיה משמשים עד היום. מחקרים אלה הקנו לו שם עולמי, וב-1908 הוענק לרתרפורד פרס נובל על תרומתו לחקר התפרקותם של אטומים והכימיה של יסודות רדיואקטיביים.

למרבה האירוניה, קיבל רתרפורד את פרס נובל בכימיה, תחום שסבר כי הוא נחות לעומת הפיזיקה. רתרפורד נהג להתלוצץ ולומר שמכל שינויי הצורה (האטומיים) שהוא חוקר, השינוי המהיר ביותר היה הפיכתו מפיזיקאי לכימאי.

נוסף על תהילת עולם, הביאה לו התקדמותו המדעית של רתרפורד גם רווחה כלכלית. אוניברסיטאות ומכוני מחקר רבים בארצות הברית חיזרו אחריו, ואוניברסיטת מקגיל העלתה כל העת את שכרו כדי לעמוד בתחרות. המדען שגדל בתנאים צנועים ונאלץ להיאבק כל חייו על מלגות לימודים ומלגות קיום היה פטור סוף-סוף מדאגות פרנסה.

חזרה לבריטניה

רק דבר אחד הפריע לרתרפורד בקנדה – הריחוק ממוקד המדע העולמי במערב אירופה. זה היה הגורם העיקרי שהניע אותו לחזור לבריטניה ולקבל ב-1907 משרה באוניברסיטת מנצ'סטר. שם השלים את פענוחה של הקרינה הרדיואקטיבית כשהוכיח כי קרינת אלפא היא למעשה גרעינים של אטומי הליום (כיום אנו יודעים שהם מורכבים משני פרוטונים ומשני ניטרונים). יחד עם תלמידו הנס גייגר (Geiger) פיתח רתרפורד שיטה אלקטרונית לזהות חלקיקים רדיואקטיביים יחידים. שיטה זו היא הבסיס למכשיר למדידת קרינה רדיואקטיבית שפיתח גייגר מאוחר יותר, והקרוי עד היום על שמו – מונה גייגר.

ב-1914 הוענק לרתרפורד תואר אבירות. זמן קצר לאחר מכן פרצה מלחמת העולם הראשונה. סר ארנסט גויס לצי הבריטי ונדרש לחקור שיטות אקוסטיות לגילוי צוללות. במסגרת עבודה זו רשם את הפטנט היחיד בחייו – מַקלט תת-מימי – השייך לצי הבריטי.

לקראת סיום המלחמה שב רתרפורד לחקר האטומים. הוא הפגיז אטומי חנקן בחלקיקי אלפא, וגילה שכתוצאה מכך הפכו מקצת האטומים לחמצן. בכך היה רתרפורד לאדם הראשון בהיסטוריה ששינה את גרעין האטום והפך חומר אחד לאחר. ואולם, כל הישגיו עד כה מתגמדים לעומת פריצת הדרך העיקרית שלו – פענוח מבנה האטום.

אבי הפיזיקה הגרעינית. רתרפורד (מימין) במעבדת קאבנדיש | מקור: Science Photo Library

סוד הגרעין

בשלב הזה כבר ידעו המדענים כי האטום מורכב מחלקיקים חיוביים כבדים (פרוטונים) ומחלקיקים שליליים קלים (אלקטרונים), אך לא ידעו כיצד הם מסודרים בתוכו (החלקיק חסר המטען, הניטרון, יזוהה רק ב-1932). המודל המקובל ביותר למבנה האטום היה זה שהציע תומסון, ועל פיו החלקיקים השליליים נעוצים כמו גרעיני אבטיח במסה החיובית (מודל זה מכונה לעתים "מודל עוגת הצימוקים", ומדמה את האלקטרונים לצימוקים המפוזרים באופן שווה בתוך בצק).

בסדרת ניסויים מבריקה שערכו בעיקר גייגר וסטודנט אחר, ארנסט מרסדן (Marsden), בהדרכת רתרפורד, הם שיגרו אלומת חלקיקי אלפא אל יריעה דקה מאוד של זהב, שמעבר לה הוצב גלאי חלקיקים. החוקרים הניחו שאם המודל נכון, יעברו חלקיקי האלפא החיוביים דרך גיליון הזהב, משום שהמטען השלילי והחיובי באטום עצמו יאזנו זה את זה ולא יפריעו לחלקיק העובר דרכם. תחילה היה נראה שההערכה נכונה. ואולם, כשהזיזו את הגלאי גילו כי בערך חלקיק אלפא אחד מבין 8,000 אינו עובר דרך הזהב, אלא ניתז אחורה או הצדה. הממצא הוביל את רתרפורד להרהורים על מבנה האטום, ובסופו של דבר הגיע למסקנה כי רוב מסת האטום מרוכזת בגרעין דחוס, התופס רק חלק זעיר מנפח האטום, וסביבו חגים להם האלקטרונים. מודל זה הסביר מדוע רוב חלקיקי האלפא טסו דרך גיליון הזהב, ורק המעטים שפגעו בגרעין ניתזו ממנו. הממצא המדהים ביותר היה ההבנה כי רוב-רובו של האטום הוא למעשה חלל ריק. מדענים נוהגים לדמות את האטום לאצטדיון כדורגל ריק, שבו הגרעין הוא זרע שעועית המונח במרכז המגרש, והאלקטרונים הם צופים מעטים המתרוצצים במהירות ביציעים.

אחרית דבר

ב-1919 סגר רתרפורד מעגל, והחליף את תומסון כמנהל מעבדת קאבנדיש באוניברסיטת קיימברידג', שם החל את דרכו המדעית מחוץ לניו-זילנד. בין שאר עבודותיו בתקופה זו, היה רתרפורד שותפו של נילס בוהר (Bohr) בחיזוי קיומו של הניטרון, שאכן התגלה כאמור ב-1932. הוא הוסיף לטפח חוקרים צעירים וראה בסיפוק כיצד ממשיכי דרכו משלימים את המודל האטומי שפיתח. רתרפורד היה פעיל מאוד גם בתחומים נוספים, ובהם קידום שוויון הזכויות לנשים בקיימברידג' וסיוע למדענים מתחילים מרחבי האימפריה הבריטית. בשנת 1933 החל לסייע למדענים שנמלטו מהמשטר הנאצי.

ב-1930 מתה בתו איילין מסיבוך בלידת בנה הרביעי, כשהיא רק בת 29. האסון הזה העיב על שארית חייו של רתרפורד. בגיל 66, ב-19 באוקטובר 1937, הוא הלך לעולמו מסיבוך של בקע מפשעתי. אפרו נטמן במרתף כנסיית וסטמינסטר בלונדון, לצד מדענים דגולים אחרים, ובהם סר אייזק ניוטון ולורד קלווין. "מותו הוא אחת האבדות הגדולות בהיסטוריה של המדע הבריטי," ספד לו מורהו לשעבר, ג'יי ג'יי תומסון. הוא עצמו הלך לעולמו שלוש שנים אחר כך, בדיוק ביום הולדתו של רתרפורד, ונטמן לצדו.

שמו של רתרפורד הונצח בדרכים רבות: מוסדות חינוך ומחקר על שמו, מלגות ופרסים מדעיים לזכרו, רחובות הנושאים את שמו, שטר ניו-זילנדי של מאה דולר עם דיוקנו, ומכתשים על שמו על הירח ועל מאדים. ב-1997 נקרא על שמו היסוד הכימי מספר 104, והוא נכנס לרשימה המצומצמת והיוקרתית ביותר של מדענים המונצחים בטבלה המחזורית.

רתרפורד היה אדם צנוע, ורבים מעמיתיו ומתלמידיו סיפרו כי סייע להם בתחומים שונים ותרם לקידום ולפיתוח רעיונות שלהם מבלי לבקש הכרה לעצמו. לו היו שואלים אותו, כנראה היה אומר שההנצחה הטובה ביותר היא המשך עבודתו המחקרית. גילוייו הרבים אכן סללו את הדרך לביקוע גרעין האטום, ולפתיחתו של עידן חדש במדע – עידן הגרעין.