לורד ארנסט רתרפורד (Rutherford), פיזיקאי בריטי יליד ניו זילנד, נחשב בעיני רבים לאבי הפיזיקה הגרעינית, בעקבות מחקריו המקוריים ופורצי הדרך שעסקו במבנה האטום ובקרינה הרדיואקטיבית. הוא זכה בפרס נובל בכימיה ב-1908, בין השאר בעקבות ניסויים שביצע ב-1898 ובסופם גילה שלקרינה רדיואקטיבית יש שתי צורות שאותן כינה קרינת אלפא וקרינת בטא.

רדיואקטיביות היא פליטה ספונטנית של חלקיקים או של קרינה אלקטרומגנטית כתוצאה מהתפרקות של גרעין אטום בלתי יציב. התהליך הוא ספונטני, כלומר לא נדרשת השקעה של אנרגיה כדי לגרום לפירוק הגרעין, מכיוון שהפליטה מייצרת מצב אטומי יציב יותר מהמצב שקדם לו.

את הקרינה הרדיואקטיבית עצמה גילה כבר שנתיים קודם לכן אנרי בקרל (Becquerel), ומחקרי ההמשך של פייר ומארי קירי (Curie) זיכו את שלושתם בפרס נובל בפיזיקה. תרומתו הגדולה של רתרפורד הייתה בכך שהוא היה זה שגילה שמדובר בכמה צורות קרינה, ולא רק אחת. לגילויים הללו הייתה השפעה אדירה על האנושות – בעקבותיהם פותחו רפואה מבוססת על רדיואקטיביות, תארוך של מרבצים גיאולוגיים, שיטות להפקת אנרגיה גרעינית וכמובן גם כלי הנשק ההרסני ביותר שהופעל אי פעם במלחמה: פצצת ביקוע גרעיני.

גילה בין השאר שהתפרקות גרעינית נוצרות כמה צורות של קרינה. רתרפורד | מקור: Science Photo Library

אלפא בטא

רתרפורד החל לחקור תופעות של רדיואקטיביות בעקבות הגילויים הראשונים בתחום שעוררו את סקרנותו. מחקרו הקודם עסק בהפיכת גזים למוליכים על ידי הקרנתם בקרני רנטגן, בהשראת בקרל שגילה במקרה ש"קרני אורניום" יכולים להפוך גזים למוליכים.

בניסויו השתמש רתרפורד במדידה של זרמים חשמליים כדי לאמוד את הקרינה שנפלטה משכבה אחידה של אבקת אורניום. הוא הציב שני לוחות מוליכים במרחק קטן זה מזה כשביניהם היה גז. אחד הלוחות כוסה בשכבה של אבקת אורניום רדיואקטיבית. הרעיון מאחורי הניסוי היה ש"קרני האורניום" יהפכו את הגז למוליך ורתרפורד יוכל למדוד את הזרם שנוצר בין הלוחות על ידי חיבורם למעגל חשמלי באופן שייצור ביניהם הפרש מתחים.

רתרפורד רצה להבין מדוע בקרל הסיק ש"קרני האורניום" נבלעות בצורה בלתי אחידה בחומר אחר. כדי לעשות את זה הוא מדד את הזרם בין הלוחות כשהוא מכסה את שכבת האורניום בשכבת אלומיניום יותר ויותר עבה. הנחת המוצא שלו הייתה שאם הקרינה אחידה, היא תיבלע במידה (מקדם בליעה) קבועה עבור כל מילימטר של אלומיניום שהוא יוסיף מעל שכבת האורניום.

התוצאות האמיתיות היו מפתיעות. הוא גילה כי במאות המיקרונים הראשונים של שכבת האלומיניום (כ-0.2 מילימטר) מקדם הבליעה אומנם היה אחיד, אך אז הוא השתנה פתאום לערך אחר. מכך הוא הסיק שיש לפחות שתי צורות של קרינה, מכיוון שזה הוא כלל מה שהוא ידע עליהן, הוא קרא להן פשוט קרינת אלפא וקרינת בטא.

מאוחר יותר הוכיח רתרפורד עם תלמידו תומס רוידס (Royds) שקרינת אלפא היא למעשה חלקיקים, או ליתר דיוק יוני הליום (⁺He²). בהמשך העלה בקרל את האפשרות שקרינת בטא היא למעשה פליטה של אלקטרון. מאוחר יותר התגלו שני סוגים של קרינת בטא: בטא-שלילית, שהיא אכן פליטה של אלקטרון, ובטא-חיובית שהתגלתה כפליטה של פוזיטרון – האנטי-חלקיק של האלקטרון. זמן קצר לאחר מכן גילה הפיזיקאי והכימאי הצרפתי פול וייאר (Villard), סוג שלישי של קרינה רדיואקטיבית, קרינת גמא, המורכבת מאנרגיה בלבד.

רתרפורד לא נח על זרי הדפנה של התגלית, ההבנה והתהילה המדעית שבאה בעקבותיה. הוא המשיך לבצע מחקרים ולהוביל תגליות שהפכו לציוני דרך בפיזיקה המודרנית. עליהן נמנות ההבנה שרוב מסת האטום נמצאת בגרעין האטום ומטענו חיובי, הנחת היסודות לפיתוח מונה גייגר למדידת קרינה ויצירה מלאכותית של יסוד אחד מיסוד אחר. העובדה שלא פחות מ-11 מתלמידיו וממשיכי דרכו זכו בפרס נובל מייצגת נאמנה את תרומתו האדירה לקידום הידע האנושי והבנתנו את סודות היקום.