Sada aastat aatomituuma avastamisest

Henn Käämbre, Horisont 3/2011

Inglise teadusajakirja Philosophical Magazine 1911. aasta mainumbris ilmus Ernest Rutherfordi artikkel „Alfa- ja beetaosakeste hajumine aines ja aatomi ehitus" (The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom). Selle kirjatöö ilmumist võib tinglikult pidada aatomifüüsika, ühtlasi tuumafüüsika sünnidaatumiks.

Kommentaar

Philosophical Magazine tähendab otsetõlkes Filosoofia ajakiri. Miks ilmus puhtanisti füüsikasse puutuv artikkel filosoofiaajakirjas? Sest tollal, liiati veel konservatiivsel Inglismaal, liigitati füüsika filosoofia haruks. Vahel täpsustati: natuurfilosoofia ehk loodusfilosoofia. Nii oli tavaks.

Meenutus

Olles 1971. aastal töölähetuses Oxfordis, lugesin ühes ülikoolihoones ukselt silti Praktilise filosoofia professor. Eks see esialgu veidi muigama-muigutama ajas. Mis parata, tavad on Britannias jäigad. Praktiline filosoofia tähendas muidugi eksperimentaalfüüsikat.

Kõrvalpõige

Tänapäeval teab iga koolipoiss, mis on tuumaenergia, tuumapomm ja tuumaplahvatus. Teab vähemalt umbkaudu ja kumamisigi. Sest inimkonna mällu jäävad alatiseks õuduspäevad - 6. ja 9. august 1945, mil USA heitis tuumapommi Jaapani linnadele Hiroshimale ja Nagasakile ning hukkus paarsada tuhat inimest. Mäletan, kuidas üks naiivne maanaine päris mu isalt pärast Hiroshimat: „Ega Venemaal ometi aatomit ole?"

 20. sajandi alguses arvas Inglise füüsik Joseph John Thomson, et aatom on midagi rosinakukli taolist - positiivse laenguga „saiakera", kus „rosinateks" negatiivsed elektronid. Säärase mudeli lähtekohaks sai negatiivse laenguga elektroni avastamine, milleni jõudis seesama Thomson. Katsed näitasid, et elektronid väljuvad aatomist, on aatomi koostisosad. Et aatom tervikuna on neutraalne, s.o elektrilaenguta, arvati, et aatomis peab olema positiivse laenguga osis, mis tasakaalustab elektronide negatiivse laengu. Lihtsaim oli oletada, et positiivne laeng on aatomikeras ühtlaselt jaotunud, on rosinakukli „sai". Elektronid aga on tipitud kuklisse nagu „rosinad", mida arvati „kuklis" ka liikuvat.

Tänapäeva teadmiste valguses võib niisugune ettekujutus näida naiivne, kuid see oli ajalooliselt esimene aatomimudel.

Aine koosnemist ülipisikestest aatomitest kahtlustasid juba antiikõpetlased, kuid nemad ei mõistnud arvata, et aatom koosneb veel väiksematest struktuuriosadest, seda enam, et atomos tähendab kreeka keeles jagamatut. Oletati küll, et ainete aatomid erinevad kuju poolest.

Thomsoni rosinakukli mudelist lähtus ka Rutherford oma uurimistöökaaslastega. Seepärast oligi ta nii üllatunud, kui katsetes selgus, et aatomil on tuum.

Pähkel keset jalgpalliväljakut

Raamatud, sealhulgas ka õpikud, on ajapikku kujundanud väära ettekujutuse aatomi mõõtkavast. Tegelikult võiksime aatomituuma kujutleda pähklina keset jalgpalliväljakut. Jalgpalliväljak visualiseeriks siis aatomi mõõtmeid. Võrdlus on tinglik, sest aatom on kvantsüsteem ja selle mõõtmed hägune mõiste.

Rutherfordi artikkel tugines tema abiliste, Hans Geigeri ja Ernest Marsdeni paaril eelneval aastal sooritatud katsetele. Rutherford soovitas Geigeril ja Marsdenil vaadelda alfaosakeste (heeliumi aatomi tuumade) põrkumist üliõhukeselt, mõne aatomi paksuselt kullalehelt. Katsed olid vaevarikkad ja nõudsid äärmist püsivust. Põrkeid tuvastati ülinõrkade välgatuste järgi, mis alfaosakesed tekitasid tsinksulfiidiga kaetud kilel. Neid jälgiti läbi kilele suunatud mikroskoobi. Et silm omandaks vajaliku tundlikkuse, pidi katsetaja viibima eelnevalt tund-paar pilkases pimeduses. Kuid see oli tollal ainus viis aatomi sondeerimiseks.

Suur oli uurijate üllatus, kui selgus, et mõned osakesed pöörduvad kullakilelt tagasisuunas (vt skeemi). Tõsi, tagasipöördujaid oli üksikuid, vaid mõned 8000 põrke kohta. Kuid hulgiti tehtud vaatlused ei jätnud kahtlust: mõned alfaosakesed ei haju kullakilelt kõrvale, vaid põrkuvad sellelt tagasi.

Rutherford on hiljem kirjutanud: „See oli minu elu kõige uskumatum sündmus. Peaaegu sama uskumatu, nagu oleks siidpaberisse tulistatud 15-tolline mürsk rikošetiga tagasi pöördunud, tabades laskjat ennast. Järele mõeldes taipasin, et see tagasihajumine peab olema ainsa põrke tulemus. Arvutusi tehes veendusin, et midagi sellesarnast võib toimuda ainult juhul, kui suurem osa aatomi massist on koondunud pisikesse tuuma. Just siis tekkis mul kujutlus väikese massiivse, laengut kandva keskmega aatomist."

Rutherford kahtlustas algusest peale, et aatomituum peab peale positiivse laenguga osakeste sisaldama ka neutraalseid. Vastasel juhul lendaks see elektrostaatiliste tõuketungide ajel kohemaid laiali. Neutraalsed osakesed tuumas - neutronid - avastas 1932. aastal üks teine inglane James Chadwick (1891-1974). Nobelistiks sai Chadwick selle avastuse eest 1935.

Ernest Rutherford: aadlimehe saatus

Ernest Rutherford (1871-1937), täistiitliga The First Baron Rutherford of Nelson and Cambridge, üks 20. sajandi väljapaistvamaid füüsikuid, sündis Uus-Meremaale siirdunud Inglise asunike talupojaperes.

Rutherford sai hariduse Uus-Meremaa ja Cambridge'i ülikoolis. 1898 valiti ta McGilli ülikooli professoriks Kanadas, kus töötas kuni 1907. aastani. Järgnevad kaksteist aastat oli Rutherford Manchesteri ülikooli professor, 1919. aastast Cambridge'i ülikooli professor ja Cavendishi labori juhataja. Oma kaalukaimad uurimused tegi Rutherford Manchesteris. Rutherford aadeldati 1914, paruni tiitli omandas 1931.

Peagi pärast seda, kui prantslane Henri Becquerel (1852-1908) oli 1896. aastal avastanud radioaktiivsuse, alustas Ruherford uue nähtuse innukat uurimist. Ta eristas radioaktiivse kiirguse kolm komponenti ning nimetas need alfa-, beeta- ja gammakiirguseks. 1908. aastal avaldas Rutherford artikli „Radioaktiivsetest ainetest 
kiirguvate alfaosakeste keemiline loomus". Selles jõudis ta järeldusele, et alfaosakesed on heeliumi kahekordselt ioniseeritud aatomid ning oletas, et aatomi keskmesse on koondunud positiivne laeng. Ühtlasi märkis ta, et tema 
oletusi kontrollivad katsed on Geigeril ja Marsdenil parajasti käsil.

1919. aastal pommitas ta alfaosakestega lämmastikku, kusjuures see muundus hapniku isotoobiks, eritades ühtlasi prootoneid. See oli esimene tehislikult sooritatud tuumareaktsioon.

Koos Briti füüsik Frederick Soddyga (1908-1956) kujundas Rutherford tänapäevani kehtiva radioaktiivsuse seletuse. Nimelt väitsid nad, et radioaktiivsete ainete kalk kiirgus tekib nende ainete aatomituumade spontaansel muundumisel väiksemateks tuumadeks.

Rutherfordi nime kannab üks radioaktiivsuse mõõtühikuid - raderford (Rd), samuti kraater Kuul ja teine Marsil. Ta pälvis paljude maade teadusühingute aunimetusi ja preemiaid. 1908 sai Rutherford Nobeli keemiapreemia „elementide lõhustumise ja radioaktiivsete ainete keemia uurimise eest". See oli saatuse ninanips: nooruses suhtus ta keemiasse üleolevalt, kõrvutades seda kokakunstiga.

Kui Stalin keelas 1934. aastal Pjotr Kapitsal (1894-1984), ühel Rutherfordi lemmikõpilasel, naasta puhkuselt Nõukogude Liidus tööle Inglismaale, vahendas Rutherford Kapitsa Cambridge'i labori hinnalise sisseseade müüki Nõukogude Liitu. Seadmestikuga pandi alus füüsikaprobleemide instituudile Moskvas.

Traagiliseks või pigem tragikoomiliseks kujunes suure teadlase eluõhtu. 1937. aastal sattus ta Cambridge'is haiglasse songaga. Hädavajalik oli kohene operatsioon. Kuid Rutherford oli lord ja tollaste Inglise seaduste järgi tohtis lordi opereerida üksnes teine lord. Seni kui aadlimehest kirurgi otsiti, jõudis 66-aastane patsient hinge heita.

Osalisi aatomituuma avastamisel ja mõistmisel

• Ernest Marsden (1889-1970)

sündis Inglismaal Ida-Lancashire'is, liitus  1909 ühes Geigeriga Rutherfordi uurimisrühmaga Manchesteris, kus osales eksperimentides, mis viisid aatomituuma avastamisele. 1915 valiti Rutherfordi soovitusel Uus-Meremaa Victoria ülikooli professoriks. 1926 rajas samas teadus- ja tööstusuuringute instituudi. Teise maailmasõja ajal osales radari täiustamisel. 1946 valiti Londoni Kuningliku Seltsi liikmeks, 1947 - Uus-Meremaa Kuningliku Seltsi presidendiks. Aadeldati 1958.

• Hans Johannes Wilhelm Geiger (1882-1945)

oli  Erlangeni ülikooli orientalistika professori poeg, kes sai hariduse Müncheni ja Erlangeni ülikoolis. 1906-1912 töötas koos Rutherfordiga Manchesteris, kus nad koos Marsdeniga avastasid aatomituuma. Ühistöös Rutherfordiga leiutas tuumaosakeste loenduri, mida täiustas 1925. aastal koos Walther Mülleriga. Tänapäeval on see üldtuntud Geigeri-Mülleri loendurina. Hiljem osales Saksamaal Hitleri uraaniprojektis, mis pidanuks viima tuumapommi loomiseni. Üritus nurjus, osalt projektis hõivatud teadlaste varjatud sabotaaži tõttu.

• Niels Henrik David Bohr (1885-1962)

on üks 20. sajandi väljapaistvamaid füüsikuid. Tema isa oli Kopenhaageni ülikooli füsioloogiaprofessor, ema põlvnes jõukast juudi pankurite perest. Nooruses oli koos matemaatikust venna Haraldiga innukas jalgpallur. Lähtudes Rutherfordi aatomimudelist, lõi Bohr vesiniku aatomi mudeli, mille varal arvutas tollal tuntud vesiniku spektrijoonte lainepikkused, mis olid heas kooskõlas katseandmetega. Pages natside eest Rootsi, sealt Ameerikasse, kus osales nn Manhattani projektis, s.o esimeste tuumapommide loomises. Niels Bohr sai Nobeli preemia 1922. Pool sajandit hiljem sai nobelistiks ka tema poeg Aage Bohr.

• Harald Gottfried Perlitz (1889-1972)

oli Tartu ülikooli teoreetilise füüsika professor, 1940 siirdus Rootsi. Ühes Looduse (Eesti Looduse eelkäija 1920. aastail) artiklis kirjutas Perlitz „aatomi südamest" (nii nimetas ta siis tuuma ) ja sellest, et „need südameasjad on ikka keerulised". Too oli esimene eestikeelne aatomi ehitust käsitlev kirjatükk.

• Joseph John Thomson (1858-1940)

avastas elektroni ja isotoobid ning leiutas mass-spektromeetri. Tunnustati Nobeli füüsikapreemiaga 1922. aastal.

HENN KÄÄMBRE (1935) on lõpetanud Tartu Ülikooli füüsikuna 1957 ja töötanud samast aastast Tartu Ülikooli füüsika instituudis mitmetel ametikohtadel, praegu vanemteadur. Füüsika-matemaatikadoktor. Agar teaduse populariseerija ja Horisondi põlisautor. Paljude raamatute, sealhulgas „Laseriraamatu" autor, tunnustatud tõlkija. Ta on üks eestikeelse füüsikaterminoloogia loojaid ja oskussõnastiku koostajaid.