Эрнест Резерфорд (1871-1937) - английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и почетный член АН СССР (1925). Директор Кавендишской лаборатории (с 1919). Открыл (1899) альфа-лучи, бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совместно с Фредериком Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую искусственную ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона. Нобелевская премия (1908).
Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года, в Спринг Гроуве, близ Брайтуотера, Южный остров, Новая Зеландия. Уроженец Новой Зеландии, основоположник ядерной физики, автор планетарной модели атома, член (в 1925-30 президент) Лондонского Королевского общества, член всех академий наук мира, в том числе (с 1925) иностранный член АН СССР, лауреат Нобелевской премии по химии (1908), создатель большой научной школы.
Детство
Резерфорд Эрнест
Эрнест родился в семье колесного мастера Джеймса Резерфорда и его жены учительницы Марты Томпсон. Кроме Эрнеста в семье было еще 6 сыновей и 5 дочерей. До 1889 года, когда семья переселилась в Пунгареху (Северный остров), Эрнест поступил в Кентерберийский колледж Новозеландского университета (город Крайстчерч, Южный остров); до этого он успел поучиться в Фоксхилле и в Хэйвлокке, в Нельсоновском колледже для мальчиков.
Блестящие способности Эрнеста Резерфорда обнаружились уже в годы учебы. После окончания IV курса он удостаивается награды за лучшую работу по математике и занимает первое место на магистерских экзаменах, причем не только по математике, но и по физике. Но, став магистром искусств, он не покинул колледжа. Резерфорд погрузился в свою первую самостоятельную научную работу. Она имела название: «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах». Был придуман и изготовлен прибор - магнитный детектор, один из первых приемников электромагнитных волн, который стал его «входным билетом» в мир большой науки. И вскоре в его жизни произошла важнейшая перемена.
Наиболее одаренным молодым заморским подданным британской короны один раз в два года предоставлялась особая Стипендия имени Всемирной выставки 1851, дававшая возможность поехать для усовершенствования в науках в Англию. В 1895 году было решено, что ее достойны двое новозеландцев - химик Маклорен и физик Резерфорд. Но место было одно, и надежды Резерфорда рухнули. Но семейные обстоятельства заставили Маклорена отказаться от поездки, и осенью 1895 года Эрнест Резерфорд прибывает в Англию, в Кавендишевскую лабораторию Кембриджского университета и становится первым докторантом ее директора Джозефа Джона Томсона.
В Кавендишевской лаборатории
молодой физик: Я работаю с утра до вечера.
Резерфорд: А когда же вы думаете?
Резерфорд Эрнест
Джозеф Джон Томсон был уже к тому времени известным ученым, членом Лондонского королевского общества. Он быстро оценил выдающиеся способности Резерфорда и привлек его к своей работе по изучению процессов ионизации газов под действием рентгеновских лучей. Но уже летом 1898 Резерфорд делает первые шаги в исследовании и других лучей - лучей Беккереля. Открытое этим французским физиком излучение урановой соли позже получило название радиоактивного. Его изучением активно занимался сам А. А. Беккерель и супруги Кюри - Пьер и Мария. В это исследование в 1898 активно включился Э. Резерфорд. Именно он обнаружил, что в лучи Беккереля входят потоки положительно заряженных ядер гелия (альфа-частиц) и потоки бета-частиц - электронов. (При бета-распаде некоторых элементов испускаются позитроны, а не электроны; позитроны имеют такую же массу, как электроны, но положительный электрический заряд). Через два года, в 1900 французский физик Виллар (1860-1934) открыл, что испускаются еще и не несущие электрического заряда гамма-лучи - электромагнитное излучение, более коротковолновое, чем рентгеновское.
18 июля 1898 года в Парижскую академию наук была представлена работа Пьера Кюри и Марии Кюри-Склодовской, вызвавшая исключительный интерес Резерфорда. В этой работе авторы указывали, что кроме урана, существуют и другие радиоактивные (этот термин был употреблен впервые) элементы. Позже именно Резерфорд ввел понятие об одном из основных отличительных признаков таких элементов - периоде полураспада.
В декабре 1897 года Резерфорду продлили выставочную стипендию, и он получил возможность продолжить исследования лучей урана. Но в апреле 1898 года освободилось место профессора Мак-Гиллского университета в Монреале, и Резерфорд решил переехать в Канаду. Пора ученичества прошла. Всем, и, в первую очередь, ему самому было ясно, что он уже готов к самостоятельной работе.
Девять лет в Канаде
Счастливец Резерфорд, вы всегда на волне!
- Это правда, но разве не я создаю волну?
Резерфорд Эрнест
Переезд в Канаду совершился осенью 1898 года. Преподавание Эрнеста Резерфорда на первых порах шло не слишком успешно: студентам не понравились лекции, которые молодой и еще не вполне научившийся чувствовать аудиторию профессор, перенасыщал деталями. Некоторые затруднения возникли вначале и в научной работе из-за того, что задерживалось прибытие заказанных радиоактивных препаратов. Но все шероховатости быстро сгладились, и началась полоса успехов и удач. Впрочем, говорить об удачах вряд ли уместно: все достигалось трудом. И в этот труд вовлекались новые единомышленники и друзья.
Вокруг Резерфорда и тогда, и в более поздние годы всегда быстро формировалась атмосфера увлеченности и творческого энтузиазма. Труд был напряженным и радостным, и он приводил к важным открытиям. В 1899 Эрнест Резерфорд открывает эманацию тория, а в 1902-03 одах он совместно с Ф. Содди уже приходит к общему закону радиоактивных превращений. Об этом научном событии нужно сказать подробнее.
Все химики мира твердо усвоили, что превращение одних химических элементов в другие невозможно, что мечты алхимиков делать золото из свинца следует похоронить навеки. И вот появляется работа, авторы которой утверждают, что превращения элементов при радиоактивных распадах не только происходят, но и что даже ни прекратить, ни замедлить их невозможно. Более того, формулируются законы таких превращений. Мы теперь понимаем, что положение элемента в периодической системе Дмитрия Менделеева, а, значит, и его химические свойства, определяются зарядом ядра. При альфа-распаде, когда заряд ядра уменьшается на две единицы (за единицу принимается «элементарный» заряд - модуль заряда электрона), элемент «перемещается» на две клеточки вверх в таблице Менделеева, при электронном бета-распаде - на одну клеточку вниз, при позитронном - на клеточку вверх. Несмотря на кажущуюся простоту и даже очевидность этого закона, его открытие стало одним из важнейших научных событий начала нашего века.
Это время знаменательно и важным событием в личной жизни Резерфорда: через 5 лет после помолвки состоялась его свадьба с Мэри Джорджине Ньютон, дочерью хозяйки того пансиона в Крайстчерче, в котором он некогда жил. З0 марта 1901 родилась единственная дочь четы Резерфордов. По времени это почти совпало с рождением новой главы в физической науке - физики ядра. Важным и радостным событием явилось и избрание Резерфорда в 1903 членом Лондонского королевского общества.
Планетарная модель атома
Если учёный не может объяснить уборщице, которая убирается у него в лаборатории, смысл своей работы, то он сам не понимает, что он делает.
Резерфорд Эрнест
Итоги научных поисков и открытий Резерфорда составили содержание двух его книг. Первая из них называлась «Радиоактивность» и вышла в 1904. Через год вышла вторая - «Радиоактивные превращения». А их автор уже начинал новые исследования. Он уже понял, что радиоактивное излучение исходит из атомов, но место его возникновения оставалось абсолютно неясным. Нужно было исследовать устройство атома. И здесь Эрнест Резерфорд обратился к методике, с которой он начинал работу у Дж. Дж. Томсона - к просвечиванию альфа-частицами. В опытах исследовалось, как поток таких частиц проходит через листочки тонкой фольги.
Первая модель атома была предложена, когда стало известно, что электроны имеют отрицательный электрический заряд. Но они входят в атомы, которые в целом электронейтральны; что же является носителем положительного заряда? Дж. Дж.Томсон предложил для решения этой проблемы такую модель: атом - нечто вроде положительно заряженной капли радиусом в стомиллионную долю (10) сантиметра, внутри которой находятся крохотные отрицательно заряженные электроны. Под действием кулоновских сил они стремятся занять положение в центре атома, но если что-то выведет их из этого положения равновесия, они начинают совершать колебания, что сопровождается излучением (таким образом, модель объясняла и известный тогда факт существования спектров излучения). Из опытов уже было известно, что расстояния между атомами в твердых телах примерно такие же, как и размеры атомов. Поэтому казалось очевидным, что альфа-частицы почти не могут пролететь даже сквозь тонкую фольгу, подобно тому, как камень не пролетит сквозь лес, деревья в котором растут почти вплотную друг к другу. Но первые же опыты Резерфорда убеждали, что это не так. Подавляющее большинство альфа-частиц пронизывало фольгу, даже почти не отклоняясь, и лишь у некоторых это отклонение наблюдалось, порой даже весьма значительное.
И здесь вновь проявилась исключительная интуиция Эрнеста Резерфорда и его умение понимать язык природы. Он решительно отказывается от модели Томсона и выдвигает принципиально новую модель. Она получила название планетарной: в центре атома, подобно Солнцу в Солнечной системе - ядро, в котором, несмотря на его относительно малые размеры, сосредоточена вся масса атома. А вокруг него, подобно планетам, двигающимся вокруг Солнца, вращаются электроны. Их массы значительно меньше, чем у альфа-частиц, которые поэтому почти не откланяются, пронизывая электронные облака. И только когда альфа-частица пролетает близко от положительно заряженного ядра, кулоновская сила отталкивания может резко искривить ее траекторию.
Формула, которую вывел Резерфорд, опираясь на эту модель, прекрасно согласовалась с данными эксперимента. В 1903 году идею планетарной модели атома доложил в Токийском физико-математическом обществе японский теоретик Хантаро Нагаока, назвавшей эту модель «сатурноподобной», но его работа (о которой Резерфорд не знал) не получила дальнейшего развития.
Но планетарная модель не согласовывалась с законами электродинамики! Эти законы, установленные, в основном, трудами Майкла Фарадея и Джеймса Максвелла, утверждают, что ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны и поэтому теряет энергию. Электрон в атоме Э.Резерфорда движется ускоренно в кулоновском поле ядра и, как показывает теория Максвелла, должен был бы, потеряв примерно за десятимиллионную долю секунды всю энергию, упасть на ядро. Это называется проблемой радиационной неустойчивости резерфордовской модели атома, и Эрнест Резерфорд ее отчетливо понимал, когда в 1907 пришло время его возвращения в Англию.
Возвращение в Англию
Теперь вы видите, что ничего не видно. А почему ничего не видно, вы сейчас увидите.
Резерфорд Эрнест
Труды Резерфорда в Мак-Гилльском университете принесли ему такую известность, что его стали наперебой приглашать на работу в научные центры различных стран. Весной 1907 года он принял решение оставить Канаду и прибыл в университет Виктории в Манчестере. Работы тут же были продолжены. Уже в 1908 вместе с Хансом Гейгером Резерфорд создает новый замечательный прибор - счетчик альфа-частиц, что сыграло важную роль для выяснения того, что они представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. В 1908 Резерфорду была присуждена Нобелевская премия (но не по физике, а по химии).
Планетарная модель атома тем временем все больше занимала его мысли. И вот в марте 1912 года начинается дружба и сотрудничество Резерфорда с датским физиком Нильсом Бором. Бор - и это явилось его величайшей научной заслугой - внес в планетарную модель Резерфорда принципиально новые черты - идею квантов. Эта идея возникла еще в начале века благодаря работам великого Макса Планка, понявшего, что для объяснения законов теплового излучения нужно допустить, что энергия уносится дискретными порциями - квантами. Идея дискретности была органически чужда всей классической физике, в частности, теории электромагнитных волн, но вскоре Альберт Эйнштейн, а затем и Артур Комптон показали, что эта квантовость проявляется и при поглощении, и при рассеянии.
Нильс Бор выдвинул «постулаты», которые на первый взгляд выглядели внутренне противоречивыми: в атоме существуют такие орбиты, двигаясь по которым электрон, вопреки законам классической электродинамики, не излучает, хотя и имеет ускорение; Бор указал правило нахождения таких стационарных орбит; кванты излучения появляются (или поглощаются) только при переходе электрона с одной орбиты на другую, в соответствии с законом сохранения энергии. Атом Бора - Резерфорда, как его по праву начали называть, не только принес решение многих проблем, он ознаменовал прорыв в мир новых идей, что вскоре привело к радикальному пересмотру многих представлений о материи и ее движении. Работу Нильса Бора «О структуре атомов и молекул» направил в печать Резерфорд.
Алхимия 20 века
И в это время, и позже, когда Эрнест Резерфорд в 1919 году принимает пост профессора Кембриджского университета и директора Кавендишевской лаборатории, он становится центром притяжения для физиков всего мира. Его справедливо считали своим учителем десятки ученых, в том числе, и удостоенные впоследствии Нобелевских премий: Генри Мозли, Джеймс Чедвик, Джон Дуглас Кокрофт, М. Олифант, В. Гейтлер, Отто Ган, Петр Леонидович Капица, Юлий Борисович Харитон, Георгий Антонович Гамов.
Три стадии признания научной истины: первая - «это абсурд», вторая - «в этом что-то есть», третья - «это общеизвестно»
Резерфорд Эрнест
Все обильнее становился поток наград и почестей. В 1914 Резерфор дполучает дворянство, в 1923 становится Президентом Британской ассоциации, с 1925 по 1930 - президент Королевского общества, в 1931 он получает титул барона и становится лордом Резерфордом оф Нельсон. Но, несмотря на все возрастающие нагрузки, в том числе - и не только научные, Резерфорд продолжает таранные атаки на тайны атома и ядра. Он уже приступил к экспериментам, завершившимся открытием искусственного превращения химических элементов и искусственного расщепления атомных ядер, предсказал в 1920 существование нейтрона и дейтрона, в 1933 был инициатором и непосредственным участником экспериментальной проверки взаимосвязи массы и энергии в ядерных процессах. В апреле 1932 Эрнест Резерфорд активно поддержал идею использования ускорителей протонов при изучении ядерных реакций. Его можно причислить и к числу основоположников ядерной энергетики.
Труды Эрнеста Резерфорда, которого нередко справедливо называют одним из титанов физики нашего века, работы нескольких поколений его учеников оказали огромное влияние не только на науку и технику нашего вера, но и на жизнь миллионов людей. Конечно, Резерфорд, особенно в конце жизни не мог не задумываться, останется ли это влияние благотворным. Но он был оптимистом, верил в людей и в науку, которой посвятил всю жизнь.
Эрнест Резерфорд скончался 19 октября 1937, в Кембридже и похоронен в Вестминстерском аббатстве
Эрнест Резерфорд - цитаты
Все науки делятся на физику и коллекционирование марок.
молодой физик: Я работаю с утра до вечера.
Резерфорд: А когда же вы думаете?
Счастливец Резерфорд, вы всегда на волне!
- Это правда, но разве не я создаю волну?
Если учёный не может объяснить уборщице, которая убирается у него в лаборатории, смысл своей работы, то он сам не понимает, что он делает.
Теперь вы видите, что ничего не видно. А почему ничего не видно, вы сейчас увидите. - из лекции с демонстрацией распада радия
РЕЗЕРФОРД ЭРНЕСТ
(1871 г. – 1937 г.)
Гениальный английский физик и химик Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Спринг-Гроув, неподалеку от города Нельсон в Новой Зеландии. Он был четвертым ребенком в многодетной семье Джеймса и Марты Резерфорд (урожденной Томпсон).
Отец Эрнеста работал колесным мастером, инженером, строителем, мельником. В 1843 году в поисках лучшей жизни он переселился в Новую Зеландию из Шотландии. Мать Эрнеста, Марта Томпсон, была школьной учительницей и переехала в тринадцатилетнем возрасте в Нельсон из Англии.
В детстве Резерфорд вел жизнь, типичную для сельского мальчишки, помогал доить коров, собирать дрова. По субботам вместе с другими детьми будущий ученый мастерил рогатки и плавал наперегонки. Поскольку отец часто менял работу, семье приходилось все время переезжать.
В возрасте 10 лет Эрнест пошел в местную школу Фоксхилла, где прочитал первую научную книгу. В этом году он провел свой первый опыт по измерению скорости звука, приведенный в учебнике.
В 1887 году Эрнест поступил в Нельсон-колледж и вскоре стал одним из лучших учеников. Особенно молодого Резерфорда интересовала математика. Много свободного времени Эрнест уделял игре в регби, но это не помешало ему получить одну из десяти школьных стипендий, дающую возможность поступить в Кентерберийский колледж в Крайчестере (филиал Новозеландского университета), одном из крупнейших городов Новой Зеландии.
В 1892 году Эрнесту Резерфорду была присуждена степень бакалавра гуманитарных наук. Любимыми предметами будущего ученого в колледже были физика и химия. Он лучше всех сдал экзамены по этим предметам и стал бакалавром естественных наук.
В своей магистерской работе Эрнест исследовал высокочастотные радиоволны, открытые около десяти лет назад. Для изучения этого явления Резерфорд сконструировал беспроволочный радиоприемник, с помощью которого получал сигналы с расстояния более полумили.
К двадцати трем годам Эрнест Резерфорд имел уже три научные степени. В то время наиболее одаренным молодым заморским подданным Британии раз в два года предоставляли специальную стипендию имени Всемирной выставки 1851 года, которая давала возможность совершенствоваться в науках в Англии. В 1895 году среди претендентов на получение одной стипендии было две кандидатуры – химика МакЛорена и физика Резерфорда.
Стипендию присудили МакЛорену, но семейные обстоятельства не позволили ему поехать в Англию. Судьба оказалась благосклонна к Резерфорду, и осенью 1895 года он по приглашению Дж. Дж. Томсона переехал в Англию, в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета. В Кембридже Резерфорд стал первым докторантом директора лаборатории Джозефа Джона Томсона.
К тому времени Томсон был всемирно известным ученым, членом Лондонского королевского общества. Работа Резерфорда по исследованию радиоволн произвела впечатление на знаменитого физика, и он предложил молодому ученому совместно изучать процессы ионизации газов под действием рентгеновских лучей, открытых годом ранее Вильгельмом Рентгеном.
В 1896 году ученые опубликовали совместную работу «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию лучей Рентгена». В следующем году Резерфорд издал свою работу «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения». В этом же году он написал статью «Об электризации газов, подверженных действию рентгеновских лучей, и о поглощении рентгеновского излучения газами и парами».
Работая в Кавендишской лаборатории, Резерфорд внимательно следил за открытиями других физиков и химиков. После того как в Парижской академии наук Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри представили результаты своих исследований, доказавших, что кроме урана существуют и другие радиоактивные элементы, молодой ученый начал самостоятельные работы в этой области. Он провел первые исследования лучей Беккереля и обнаружил неоднородность излучения, испускаемого ураном.
Опираясь на свои собственные результаты, Эрнест Резерфорд и Дж. Дж. Томсон предположили, что под действием рентгеновских лучей разрушаются атомы газа и появляются отрицательно и положительно заряженные частицы. Эти частицы ученые назвали ионами. Совместные труды ученых привели также к открытию электрона – атомной частицы, несущей отрицательный электрический заряд.
В декабре 1897 года Резерфорду продлили стипендию имени Всемирной выставки, и он начал серьезно заниматься исследованием атомной структуры. Однако когда в апреле 1898 года освободилось место профессора Мак-Гиллского университета в Монреале и молодому ученому предложили эту должность, он дал согласие. Осенью 1898 года Резерфорд начал преподавать в Мак-Гиллском университете.
В Канаде тогда еще двадцатисемилетний профессор совершил множество гениальных открытий. В 1899 году он обнаружил, что радиоактивный торий испускает газообразный радиоактивный продукт. Это явление ученый назвал «эманацией» (испусканием). В результате последующих исследований было установлено, что два других радиоактивных элемента – радий и актиний – тоже производят эманацию.
Ученый показал, что существуют, по крайней мере, два вида излучения. Первое из них, которое легко поглощалось, он назвал альфа-излучением, а второе, обладающее большей проникающей способностью, – бета-излучением.
Проанализировав результаты исследований, Резерфорд сделал вывод, что все известные науке радиоактивные элементы испускают альфа– и бета-лучи. Поскольку через определенный период времени радиоактивность элементов уменьшалась, ученый предположил, что все радиоактивные элементы принадлежат к одному семейству атомов. Таким образом, их можно классифицировать по периоду уменьшения их радиоактивности.
В 1902–1903 годах Резерфорд, совместно с Фредериком Содди, одним из основателей радиохимии, продолжил исследования в данной области. Ученые открыли общий закон радиоактивных превращений, выразили его в математической форме, ввели понятие «период полураспада», а также изложили основные положения созданной ими теории радиоактивности.
По Резерфорду и Содди, радиоактивность возникала в том случае, когда атом отторгал частицу самого себя. В результате потери атом одного химического элемента превращался в атом другого.
Открытия ученых вошли в перечень важнейших научных событий XX века. Все ранее существовавшие аксиомы о неделимости и неизменности атомов были разрушены. Ученые сформулировали законы превращений, из которых следовало, что превращения химических элементов при радиоактивных распадах не только происходят, но и замедлить или прекратить их не является возможным.
Исследуя радиоактивные превращения, Резерфорд и Содди подсчитали энергию альфа-частиц, испускаемых радием, и сделали вывод, что энергия радиоактивных превращений во много тысяч, а может, и миллионов раз превышает энергию любого молекулярного превращения. По мнению ученых, эту энергию необходимо было учитывать при любых явлениях космической физики, в частности, постоянство солнечной энергии они объясняли тем, что на Солнце происходят процессы субатомного превращения.
В 1903 году Резерфорд провел ряд экспериментов, доказывающих его теорию, а также показал, что альфа-частицы несут положительный заряд.
Работы Резерфорда принесли ему огромную известность. В 1903 году он был избран членом Лондонского королевского общества.
В 1904 году Резерфорд написал книгу «Радиоактивность», в которой представил и сформулировал результаты своих исследований. В следующем году он опубликовал свою вторую книгу «Радиоактивные превращения». Резерфорда стали приглашать на работу разные университеты и научно-исследовательские центры разных стран. В 1907 году он решил сменить место проживания и вернулся в Англию. 24 мая 1907 года Резерфорд приехал в Манчестер, где занял пост профессора физики в Манчестерском университете.
В Манчестере Резерфорд продолжил свои исследования. При помощи Гейгера он организовал при университете школу по изучению радиоактивности. В 1908 году Резерфорд помог Гансу Гейгеру создать счетчик альфа-частиц и в следующем году доказал, что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия.
В 1908 году «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ» Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии. В презентационной речи президент Шведской королевской академии наук К. Б. Хассельберг указал на огромное значение открытий ученого.
В своей нобелевской лекции «Химическая природа альфа-частиц в радиоактивных веществах», прочитанной 11 декабря 1908 года, Резерфорд предположил, что альфа-частицы идентичны по массе и составу и состоят из ядер атомов гелия. Из этого следует, что атомы радиоактивных элементов также частично состоят из атомов гелия.
После получения Нобелевской премии Резерфорд начал исследовать строение атома. Он обратился к методике, которую применял вместе с Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской лаборатории, – к просвечиванию альфа-частицами. Ученый вместе с ассистентами Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом провел ряд опытов, в которых бомбардировал пластинку тонкой золотой фольги альфа-частицами, излучаемыми ураном. В то время физики считали, что расстояния между атомами в твердых телах примерно такие же, как и размеры атомов. Отсюда можно было сделать вывод, что альфа-частицы не смогут пролететь даже сквозь тонкую фольгу.
Уже первые опыты Резерфорда опровергли этот вывод – большая часть альфа-частиц пронизывала фольгу, почти не отклоняясь. Но примерно в одном из 8000 случаев они отклонялись от ожидаемого направления в даже большей степени, чем это допускалось теорией, словно сталкиваясь с какой-то преградой. Эта удивительная аномалия оказалась начальным пунктом в разработке ядерной модели атома.
После того как Дж. Дж. Томсон открыл, что электроны имеют отрицательный электрический заряд, он предложил модель атома в виде положительно заряженной капли радиусом в стомиллионную долю (10,8) сантиметра, внутри которой находятся крохотные отрицательно заряженные электроны. Положительные и отрицательные заряды равномерно распределялись в атоме и, следовательно, не могли в значительной мере изменять направление движения альфа-частиц.
Исходя из своих опытов, в 1911 году Резерфорд отказался от модели Томсона и предложил новую модель атома. Свои идеи он изложил в статье «Рассеяние альфа– и бета-излучений в веществе и структура атома» майского номера журнала «Philosophical Magazin» – вестника множества гениальных открытий.
По Резерфорду, в центре атома находится ядро, в котором сосредоточены положительно заряженные частицы и которое составляет всю массу атома. Отрицательно заряженные частицы (электроны) размещены на орбите ядра, на довольно большом расстоянии от него. Поскольку массы электронов значительно меньше масс альфа-частиц, последние почти не отклоняются, пронизывая электронные облака. И только в том случае, когда альфа-частица пролетает близко от положительно заряженного ядра, кулоновская сила отталкивания резко изменяет ее траекторию.
Модель Резерфорда, которая на сегодняшний день является общепринятой, напоминала крошечную модель Солнечной системы и получила название «планетарной модели атома».
После того как в 1913 году друг и сотрудник Резерфорда датский физик Нильс Бор внес в планетарную модель идею квантов, модель атома получила мировое признание. Бор предположил, что в атоме существуют орбиты, двигаясь по которым электрон получает ускорение, и указал правило для нахождения таких стационарных орбит. При переходе электрона с одной орбиты на другую в соответствии с законом сохранения энергии появляются кванты излучения.
Теория Нильса Бора устранила главный недостаток планетарной модели атома – электродинамическую неизбежность падения вращающегося электрона на ядро.
Во время Первой мировой войны английское правительство назначило Резерфорда членом гражданского комитета Управления изобретений и исследований Британского адмиралтейства. В его обязанности входило изобретение метода обнаружения подводных лодок противника с помощью акустики.
После войны Эрнест Резерфорд вернулся в манчестерскую лабораторию.
В 1919 году гениальный ученый осуществил первую искусственную ядерную реакцию. После бомбардирования атомов водорода, а затем и азота, альфа-частицами Резерфорд обнаружил, что при этом образуются атомы кислорода. В результате бомбардировки произошел распад устойчивого атома. Опираясь на исследования Резерфорда и используя результаты своих исследований, в 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.
К этому времени Резерфорд приобрел славу величайшего физика-практика за всю историю физики, одного из гениальнейших людей своего времени.
В 1919 году Эрнест Резерфорд стал преемником Томсона, получив должности профессора экспериментальной физики Кембриджского университета и директора Кавендишской лаборатории. Через два года он стал профессором естественных наук в Королевском институте в Лондоне. Еще спустя два года, в 1923 году, Резерфорд становится президентом Британской ассоциации содействия развитию науки, а с 1925 по 1930 год является президентом Лондонского королевского общества. В 1930 году ученый был назначен председателем правительственного консультативного совета Управления научных и промышленных исследований.
Эрнест Резерфорд был не только гениальным ученым, но и талантливым организатором. Находясь на руководящих должностях, он привлекал к своим работам многих молодых физиков, удостоенных впоследствии Нобелевских премий. Перед ним склоняли голову все выдающиеся физики той эпохи. Когда коллеги отметили его способность всегда находиться «на гребне волны» научных исследований, он ответил: «А почему бы и нет? Ведь это я вызвал волну, не так ли?» Мало кто возражал против этого утверждения. Резерфорда считали своим учителем десятки ученых с мировым именем: П. Л. Капица, Г. Мозли, Дж. Чедвик, Дж. Кокрофт, М. Олифант, В. Гейтлер, О. Ган, Ю. Б. Харитон и др.
Несмотря на возраст и занятость, Резерфорд все время продолжал свои исследования. В 1920 году он предсказал существование нейтрона (открытого его учеником Джеймсом Чедвиком в 1932 году), существование атома водорода с атомной массой, равной двум (дейтерия), ввел понятие «протон», в 1933 году инициировал экспериментальную проверку взаимосвязи массы и энергии в ядерных процессах.
В своей последней экспериментальной работе в 1934 году Резерфорд совместно с Маркусом Олифантом и Паулем Хартеком открыл тритий – сверхтяжелый изотоп водорода.
До самой смерти Эрнест Резерфорд сохранял прекрасное расположение духа и отличался крепким здоровьем. Он блестяще производил в уме сложные математические вычисления, удивляя своих коллег и сотрудников.
После непродолжительной болезни знаменитый ученый умер в Кембридже 19 октября 1937 года и был похоронен в Вестминстерском аббатстве неподалеку от могилы Исаака Ньютона, Чарлза Дарвина и Майкла Фарадея.
Эрнест Резерфорд
родился 30 августа 1871 года в Брайтуотере, живописном местечке Новой Зеландии. Он был четвертым ребенком в семье выходцев из Шотландии Джеймса Резерфорда и Марты Томсон, и из двенадцати детей он оказался наиболее одаренным. Эрнест блестяще закончил начальную школу, получив 580 баллов из 600 возможных и премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования.
В колледже в Нельсоне, где Эрнеста Резерфорда приняли в пятый класс, учителя обратили внимание на его исключительные математические способности. Но математиком Эрнест не стал. Не стал он и гуманитарием, хотя проявлял недюжинные способности к языкам и литературе. Судьбе угодно было распорядиться, чтобы Эрнест увлёкся естественными науками -- физикой и химией.
После окончания колледжа Резерфорд поступил в Кентерберийский университет, и уже на втором курсе он выступил с докладом "Эволюция элементов", в котором высказал предположение, что химические элементы представляют собой сложные системы, состоящие из одних и тех же элементарных частиц. Студенческий доклад Эрнеста не был должным образом оценён в университете, однако его экспериментальные работы, например, создание приёмника электромагнитных волн, удивили даже крупных учёных. Спустя всего несколько месяцев ему была присуждена "стипендия 1851 года", которой отмечались самые талантливые выпускники провинциальных английских университетов.
После этого Резерфорд в течение трёх лет работал в Кембридже, в Кавендишской лаборатории, под руководством известного физика Джозефа-Джона Томсона. В 1898 г. он начал изучать радиоактивность. Первое же фундаментальное открытие Резерфорда в этой области - обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном -- сделало его имя известным в научном мире; благодаря ему в науку вошло понятие об альфа- и бета-излучении.
В том же году 26-летнего Резерфорда пригласили в Монреаль в качестве профессора Мак-Гиллского университета -- лучшего в Канаде. Этот университет получил название по имени своего основателя -- переселенца из Шотландии, которому под конец жизни удалось разбогатеть. Перед отъездом Резерфорда в Канаду Дж. Томсон вручил ему рекомендательное письмо, где было написано: "В моей лаборатории ещё никогда не было молодого учёного с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как господин Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, то создаст выдающуюся школу физиков в Монреале…". Предсказание Томсона сбылось. Резерфорд проработал в Канаде 10 лет и действительно создал там научную школу.
В 1903 г. 32-летний ученый был избран членом Лондонского Королевского общества -- британской Академии наук.
В 1907 г. Резерфорд вместе с семьей переезжает из Канады в Англию, чтобы занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. Сразу же после приезда Резерфорд занялся экспериментальными исследованиями радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882-1945), разработавший ионизационный метод измерения интенсивности излучения - широко известный счетчик Гейгера. Резерфорд произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. Вместе с другим своим учеником, Эрнестом Марсденом (1889-1970), он исследовал особенности прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластинки. На основании этих опытов ученый предложил планетарную модель атома: в центре атома - ядро, вокруг которого вращаются электроны. Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных ядер легких элементов и искусственных ядерных превращений.
В течение 18 лет - с 1919 года и до конца своей жизни - Резерфорд возглавлял основанную в 1874 году Кавендишскую лабораторию. До него ею руководили великие английские физики Максвелл, Релей и Томсон. Резерфорд не дожил всего нескольких лет до того, как немецкие физики Отто Ган (1879-1968) и Лизе Майтнер (Мейтнер) (1878-1968) открыли деление урана.
По словам Патрика Блэкетта, одного из ближайших сотрудников Резерфорда, это открытие "в известном смысле явилось последним из великих открытий в ядерной физике, отличающейся от физики элементарных частиц. Резерфорд не дожил до кульминационного пункта развития направления, которое фактически было областью его научной деятельности
".
Английский физик, первым осуществил искусственное превращение элементов. Характерно его высказывание в 1933 году: «Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор». Историки науки считают, что это - единственная крупная ошибка учёного…
Эрнст Резерфорд - лауреат Нобелевской премии по химии за 1908 год «за проведённые исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Он был членом всех Академий наук мира.
Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии, но как учёный состоялся в Великобритании.
«Среди любимых поговорок Эрнста Резерфорда была такая: «Хорош тот экспериментатор, чьи результаты бесят теоретиков!» Сам Резерфорд был очень хорош в этом смысле. Сперва он ухитрился превратить один атом в другой. Потом он обнаружил атомы с разной массой, но одинаковыми химическими свойствами - Изотопы. Наконец, Резерфорд обнаружил, что большая часть объёма атома - пустая; только в центре присутствует заряженное ядро огромной плотности».
Смирнов С.Г., Лекции по истории науки, М., Изд-во МЦНМО, 2012 г., с.118.
«Одно из первых открытий Резерфорда заключалось в том, что радиоактивное излучение урана состоит из двух различных компонентов, которые учёный назвал альфа- и бета-лучи. Позже он продемонстрировал природу каждого компонента (они состоят из быстродвижущихся частиц) и показал, что существует ещё и третий компонент, который назвал гамма-лучами. Важная черта радиоактивности - это связанная с ней энергия. Беккерель, супруги Кюри и множество других ученых считали энергию внешним источником. Но Резерфорд доказал, что данная энергия - которая намного мощнее, чем освобождаемая при химических реакциях, - исходит изнутри отдельных атомов урана! Этим он положил начало важной концепции атомной энергии. Учёные всегда предполагали, будто отдельные атомы неделимы и неизменяемы. Но Резерфорд (с помощью очень талантливого молодого помощника Фредерика Содди ) смог показать, что когда атом испускает альфа- или бета-лучи, он преобразуется в атом иного сорта. Сначала химики не могли в это поверить. Однако Резерфорд и Содди провели целую серию экспериментов с радиоактивным распадом и трансформировали уран в свинец.
Также Резерфорд измерил скорость распада и сформулировал важную концепцию «полураспада». Это вскоре привело к технике радиоактивного исчисления, которое стало одним из важнейших научных инструментов и нашло широкое применение в геологии, археологии, астрономии и во многих других областях. Эта ошеломляющая серия открытий принесла Резерфорду в 1908 году Нобелевскую премию (позже Нобелевскую премию получил и Содди ), но его величайшее достижение было ещё впереди. Он заметил, что быстродвижущиеся альфа-частицы способны проходить сквозь тонкую золотую фольгу (не оставляя видимых следов!), но при этом слегка отклоняются. Возникло предположение, что атомы золота, твёрдые, непроницаемые, как «крошечные бильярдные шары» - как ранее считали учёные, - были мягкими внутри! Всё выглядело так, будто меньшие и более твердые альфа-частицы могут проходить сквозь атомы золота как высокоскоростная пуля через желе.
Но Резерфорд (работая с Гейгером и Марсденом , своими двумя молодыми помощниками) обнаружил, что некоторые альфа-частицы, проходя сквозь золотую фольгу, отклоняются очень сильно. Фактически некоторые вообще отлетают назад! Почувствовав, что за этим кроется нечто важное, учёный тщательно посчитал количество частиц, полетевших в каждом направлении. Затем путём сложного, но вполне убедительного математического анализа он показал единственный путь, которым можно было объяснить результаты экспериментов: атом золота состоял почти полностью из пустого пространства, а практически вся атомная масса была сконцентрирована в центре, в маленьком «ядре» атома!
Одним ударом труд Резерфорда навсегда потряс наше привычное видение мира. Если даже кусок металла - кажущийся самым твёрдым из всех предметов - являлся в основном пустым пространством, значит, всё, что мы считали вещественным, вдруг развалилось на крошечные песчинки, бегающие в необъятной пустоте! Открытие Резерфордом атомных ядер является основой всех современных теорий строения атома. Когда Нильс Бор через два года опубликовал знаменитый труд, описывающий атом как миниатюрную солнечную систему, управляемую квантовой механикой, он использовал для своей модели в качестве отправной точки ядерную теорию Резерфорда. Так же поступили Гейзенберг и Шрёдингер , когда они сконструировали более сложные атомные модели, используя классическую и волновую механику.
Открытие Резерфорда также привело к появлению новой ветви науки: изучение атомного ядра. В этой области Резерфорду тоже было суждено стать пионером. В 1919 году он добился успеха при трансформировании ядер азота в ядра кислорода, обстреливая первые быстродвижущимися альфа-частицами. Это было достижение, о котором мечтали древние алхимики. Вскоре стало ясно, что ядерные трансформации могут быть источником энергии Солнца. Более того, трансформация атомных ядер является ключевым процессом в атомном оружии и на атомных электростанциях. Следовательно, открытие Резерфорда вызывает гораздо больший интерес, чем просто академический.
Личность Резерфорда постоянно поражала всех, кто с ним встречался. Он был крупным человеком с громким голосом, беспредельной энергией и заметным недостатком скромности. Когда коллеги отмечали сверхъестественную способность Резерфорда всегда находиться «на гребне волны» научных исследований, он сразу отвечал: «А почему бы и нет? Ведь это я вызвал волну, не так ли?» Немногие учёные стали бы возражать против этого утверждения».
Майкл Харт, 100 великих людей, М., «Вече», 1998 г., с. 293-295.
«11 сентября 1933 г. на съезде Британской ассоциации содействия развитию науки (аналог нашего общества «Знание») выступил Резерфорд, как известно, открывший атомные ядра и их расщепление. Резерфорд в своей речи заявил, однако (это было широко освещено в газетах), что «всякий, кто ожидает получения энергии в результате трансформации атомов, говорит вздор». Иными словами, Резерфорд отрицал реальность использования атомной (ядерной) энергии. В этом он был не одинок и совершенно прав в том смысле, что в 1933 г. действительно не было видно никакого пути для использования ядерной энергии. Однако всего через пять лет ситуация полностью изменилась - было открыто деление урана, а через девять лет (в 1942 г.) заработал первый атомный котёл».
В чем Резерфорд превзошел Эйнштейна и в чем уступил Маркони, какие мегагранты были в Англии XIX века, какие потери великий ученый понес на Первой мировой войне и за что его называли Крокодилом и кроликом, сайт рассказывает в очередном выпуске рубрики «Как получить Нобелевку».
Памятник Резерфорду-ребенку в Новой Зеландии
Wikimedia Commons
Эрнест Резерфорд
Нобелевская премия по химии 1908 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».
Когда пишешь статью о нобелевском лауреате, существует два особенно трудных случая. Первый вариант: о нашем герое известно очень мало, и приходится заниматься отдельным поиском, чтобы набрать материала на статью. Второй вариант: наш герой сверхзнаменит, имя его стало нарицательным, а воспоминания очевидцев часто противоречат друг другу. И тут возникает другой вопрос - вопрос выбора. Наш сегодняшний случай - именно такой. Очень мало лауреатов, которые настолько известны, как наш персонаж. Еще меньше - получивших Нобелевскую премию так, что сама номинация в его случае стала самым ярким случаем троллинга в истории науки. Хотя в том далеком 1908 году «троллингом» могли назвать разве что музыкальную сценку авторства Эдварда Грига. Но как еще можно назвать премию по химии, врученную физику до мозга костей, который сам неоднократно подчеркивал, что все науки «делятся на физику и коллекционирование марок»? С другой стороны, именем этого человека в разное время назывались целых три химических элемента. Вы уже догадались, кто наш герой? Разумеется, это он, первый новозеландский нобелевский лауреат, сэр Эрнест Резерфорд. Он же - с легкой руки будущего советского нобелевского лауреата и своего ученика Петра Капицы - Крокодил.
Юный Эрнест Резерфорд
Wikimedia Commons
Резерфорда можно считать счастливцем. Родившись дальше, чем в провинции, не в Девоншире каком-нибудь, не в Эдинбурге, не в Сиднее и даже не в Веллингтоне, а в новозеландской провинции, в фермерской семье, он сумел пробиться. Однако стипендию имени Всемирной выставки 1851 года для одаренных провинциалов наш герой получил лишь тогда, когда тот, кому ее присудили ранее, отказался.
Тем не менее Рубикон был перейден (так он писал своей невесте), деньги на пароход заняты, и с прототипом детектора радиоволн (примерно то же самое делали Маркони и Попов) Резерфорд отправился в Англию. Денег на то, чтобы разрабатывать детектор, ему не дали: все свои средства почта Британии поставила на Маркони, который получит Нобелевскую премию через год после Резерфорда. И новозеландец записался в Кавендишскую лабораторию при Кембридже.
Мало кто знает, что знаменитая Кавендишская лаборатория названа по имени не химика Генри Кавендиша (который был 2-м герцогом Девонширским), а его родственника, 7-го герцога Девонширского, Уильяма Кавендиша, канцлера Кембриджа, который пожертвовал денег на открытие лаборатории. Такой вот английский мегагрант. Между прочим, весьма успешный: на настоящий момент 29 сотрудников этого проекта получили Нобелевские премии (включая нашего Капицу).
Уильям Кавендиш, 7-й герцог Девонширский
Wikimedia Commons
Резерфорд стал докторантом у самого , первооткрывателя электрона (Томсон - лауреат «физического нобеля» 1906 года, но не за электрон, а за исследования прохождения токов в газах). И поучаствовал в нобелевских работах своего научного руководителя. А дальше можно просто перечислять лишь основные достижения Резефорда - великого экспериментатора и физика (доктор Эндрю Бальфур дал едкое определение-признание Резерфорду: «Мы заполучили дикого кролика из страны антиподов и он роет глубоко»).
Вместе с Томсоном он изучал ионизацию газов рентгеновским излучением. В 1898 году он выделил из радиоактивного излучения «альфа-лучи» и «бета-лучи». Сейчас мы знаем, что это ядра гелия и электроны. Кстати, химической природе альфа-лучей посвящена Нобелевская лекция Резерфорда.
Эккспериментальная установка по разделению радиоактивного излучения на альфа-, бета- и гамма-составляющие
Wikimedia Commons
В 1901-1903 годах вместе с будущим нобелиатом по химии 1921 года, Фредериком Содди, Резерфорд открыл естественные превращения элементов при радиоактивном распаде (за это наш герой и получил «Нобеля», так что все законно, ведь химия - это наука о превращении веществ друг в друга). При этом была открыта «эманация тория», газообразный радон-220, и сформулирован закон радиоактивного распада.
Фредерик Содди
Ганс Гейгер и Эрнест Резерфорд
Wikimedia Commons
Но самый известный свой эксперимент он (точнее, его ученики Гейгер и Мардсен) провел в 1909 году. Исследование прохождения альфа-частиц сквозь золотую фольгу абсолютно неожиданно для всех показало, что некоторые ядра гелия отбрасываются обратно. «Как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар», - писал Резерфорд. Так было открыто атомное ядро и появилась планетарная модель атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра, а модель Томсона, которая называлась «пудинг с изюмом», была отброшена.
Как проходили бы альфа-частицы через атомы Томсона (ожидаемый результат эксперимента) и какие результаты наблюдались в реальности
Wikimedia Commons
Предложить такую модель было совершенным безумием. Потом выяснилось, что о планетарной модели атома задумывался, например, Эйнштейн, но не решился ее разрабатывать, ведь всем ясно, что рано или поздно электроны должны падать на ядро.
Во время Первой мировой войны Резерфорд работал над детектированием вражеских подлодок (он служил офицером связи). Война же нанесла нашему герою и страшный удар: на фронте погиб талантливейший его ученик - Генри Мозли.
Генри Мозли
Wikimedia Commons
В 1917 году Резерфорд начинает эксперименты по искусственному превращению элементов. Два года спустя эти эксперименты успешно завершились: в 1919 году в том же журнале Philosophical Magazine, где он с Содди рассказал о превращении элементов при естественном радиоактивном распаде, вышла статья «Аномальный эффект в азоте», в которой сообщалось о первом искусственном превращении элементов). В 1920 году Резерфорд предсказал существование нейтрона (его потом открыл ученик Резерфорда Чедвик).
Сэр Джеймс Чедвик
Wikimedia Commons
Во время войны Резерфорд стал и дворянином. Несмотря на то, что удар мечом Резерфорд получил от короля в 1914 году, бароном Резерфордом Нельсоном он официально стал только в 1931-м, с утверждением соответствующего герба. На гербе - птица киви, символ Новой Зеландии, и две экспоненциальные кривые, показывающие, как убывает со временем количество радиоактивных атомов при радиоактивном распаде. Он телеграфировал по подводному кабелю восьмидесятивосьмилетней матери: «Итак - лорд Резерфорд. Заслуга более твоя, чем моя. Люблю, Эрнест».
