Один из самых известных физиков Эрнест Резенфорд был родом из Новой Зеландии. Семья его была небогатой, а сам Резенфорд был четвертым ребенком из двенадцати. Казалось бы какое-то особое будущее ему не светит, но напротив с детства ученый стремился к образованию, и благодаря своему уму и усидчивости он добился стипендии, позволяющей обучаться в одном из лучших колледжей страны. В 1894 году будущий физик стал бакалавром естественных наук.
Он так хорошо учился, что был удостоен персональной стипендии и права продолжить обучение в Англии. Резерфорд приехал в Кембридж и стал аспирантом в Кавендишской лаборатории. Там он продолжил изучать распространение радиоволн, и впервые провел радиосвязь на расстоянии около километра. Но чисто инженерные проблемы никогда не привлекали его и Резерфорд начал заниматься изучением проводимости воздуха под воздействием только что открытых лучей Рентгена. Эта работа, которой он занимался совместно с Дж. Дж.Томпсоном, привела к открытию электрона. После этого Резерфорд и занялся изучением структуры атома.
Защитив докторскую диссертацию, Резенфорд уехал в Канаду и занял должность профессора физики в Макгиллском университете в Монреале. Там он начал изучать радиоактивность. Резерфорд исследовал свойства альфа- и бета-лучей, а также открыл изотопы тория и радия. В 1908 году Эрнест Резерфорд получил Нобелевскую премию за свою теорию о превращении радиоактивных элементов. Это исследование ученый проводил вместе с Ф.Содди.
В 1907 году Резенфорд вновь приехал в Англию, где стал руководителем кафедры физики Манчестерского университета. Изучая рассеяние альфа-лучей,ученый открыл существование атомных ядер и определил их размеры. Эту работу он сделал совместно с будущим известным физиком Марсденом. На основе этих исследований и теоретических работ датского физика Нильса Бора была создана модель атома Бора-Резерфорда.
В 1918 году Резерфорд сделал еще одно крупное открытие - доказал возможность превращения ядра азота в кислород под воздействием альфа-частиц, подтвердив возможность, превращения одного химического, элемента в другой.
Изучая столкновения альфа-частиц с атомами водорода, Резерфорд сделал и другое фундаментальное открытие - искусственную радиоактивность.
Интересно, что ученый считал это чисто научной проблемой и не верил в возможность практического использования ядерной энергии. Тем не менее именно его сотрудник, а позже, крупный немецкий физик Отто Ган открыл деление урана, а работы Резерфорда в огромной степени приблизили наступление ядерного века. В 1919 году Эрнест Резерфорд становится директором Кавендишской лаборатории. На этом посту он оставался до самой смерти. Лаборатория стала настоящей Меккой для физиков XX века. В ней работали многие крупнейшие ученые нашего времени, считавшие себя учениками Резерфорда, - Блекетт, Кокрофт, Чедвик, Капица, Уолтон. Ученый считал, что главное - дать человеку возможность раскрыться до конца и показать, на что он способен. Так, он был инициатором строительства специальной магнитной лаборатории для опытов П.Капицы, а позже добился продажи уникального оборудования в СССР, чтобы ученый мог продолжить там свою научную работу.
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 (годы жизни: 30.08.1871 - 19.10.1937) - английский физик, создатель планетарной модели атома, основоположник ядерной физики. Он был членом Лондонского Королевского общества, а с 1925 по 1930 год - и его президентом. Этот человек - обладатель которую он получил в 1908 году.
Будущий ученый родился в семье Джеймса Резерфорда, колесного мастера, и Марты Томпсон, учительницы. Кроме него, в семье было 5 дочерей и 6 сыновей.
Обучение и первые награды
До того как в 1889 году семья переселилась из в Северный, Резерфорд Эрнест обучался в г. Крайстчерче, в Кентерберийском колледже. Уже в это время обнаружились блестящие способности будущего ученого. После окончания 4 курса Эрнест был удостоен награды за лучшую работу в области математики, а также занял 1-е место на магистерских экзаменах по физике и по математике.
Изобретение магнитного детектора
Став магистром искусств, Резерфорд не покинул колледжа. Он погрузился в самостоятельную научную работу по магнетизации железа. Им был разработан и изготовлен специальный прибор - магнитный детектор, который стал одним из первых в мире приемников электромагнитных волн, а также "входным билетом" Резерфорда в большую науку. В его жизни вскоре произошла важная перемена.
Резерфорд отправляется в Англию
Самым одаренным молодым подданным английской короны из Новой Зеландии предоставлялась раз в два года стипендия им. Всемирной выставки 1851 года, которая давала возможность отправиться в Англию для изучения наук. В 1895 году решено было, что два новозеландца достойны такой чести - физик Резерфорд и химик Маклорен. Однако место было только одно, и надежды Эрнеста рухнули. К счастью, Маклорен вынужден был по семейным обстоятельствам отказаться от этой поездки, и Резерфорд Эрнест осенью 1895 года прибыл в Англию. Здесь он начал работу в Кембриджском университете (в Кавендишевской лаборатории) и стал первым докторантом Дж. Томсона, ее директора (на фото ниже).
Изучение лучей Беккереля
Томсон к тому времени уже был одним из членов уважаемого всеми Лондонского королевского общества. Способности Резерфорда он оценил быстро и привлек его к работе по изучению ионизации газов под влиянием рентгеновских лучей, которую он проводил. Однако уже в 1898 году, летом, Эрнест делает свои первые шаги в другой области исследования. Его заинтересовали "лучи Беккереля". Излучение урановой соли, открытое Беккерелем, физиком из Франции, позже стало известно как радиоактивное. Французский ученый, а также супруги Кюри, активно занимались его исследованием. В 1898 году в работу включился и Резерфорд Эрнест. Этот ученый обнаружил, что в данные лучи входят потоки ядер гелия, положительно заряженных (альфа-частиц), а также потоки электронов (бета-частиц).
Дальнейшее изучение лучей урана
В Парижскую академию наук 18 июля 1898 года была представлена работа супругов Кюри, которая вызвала большой интерес Резерфорда. В ней авторы указывали, что помимо урана есть и другие радиоактивные (данный термин был употреблен впервые именно тогда) элементы. Резерфорд позднее ввел понятие о - одном из главных отличительных признаков этих элементов.
Эрнесту в декабре 1897 году продлили выставочную стипендию. Ученый получил возможность дальнейшего исследования лучей урана. Однако в апреле 1898 года в Монреале освободилось место профессора местного Мак-Гиллского университета, и Эрнест решил отправиться в Канаду. Прошла пора ученичества. Всем было ясно, что Резерфорд уже готов работать самостоятельно.
Переезд в Канаду и новая работа
Осенью 1898 года состоялся переезд в Канаду. На первых порах преподавание Резерфорда шло не очень-то успешно: студентам пришлись не по вкусу лекции, которые молодой профессор, еще не научившийся вполне чувствовать аудиторию, перенасыщал деталями. В научной работе также возникли некоторые затруднения из-за того, что прибытие заказанных Резерфордом радиоактивных препаратов задерживалось. Однако все шероховатости вскоре сгладились, и для Эрнеста началась полоса удач и успехов. Впрочем, вряд ли уместно говорить об удачах: все достигалось нелегким трудом, в который вовлекались его новые друзья и единомышленники.
Открытие закона радиоактивных превращений
Вокруг Резерфорда уже тогда сформировалась атмосфера творческого энтузиазма и увлеченности. Труд был радостным и напряженным, он приводил к большим успехам. Резерфорд в 1899 году открыл эманацию тория. Совместно с Содди в 1902-1903 годах он пришел уже к общему закону, применимому ко всем радиоактивным превращениям. Следует сказать несколько подробнее об этом важном научном событии.
Ученые всего мира твердо усвоили в то время, что невозможно превратить одни химические элементы в другие, поэтому следует навеки похоронить мечты алхимиков добывать из свинца золото. И вот появилась работа, в которой утверждалось, что при радиоактивных распадах превращения элементов не только происходят, но их невозможно ни замедлить, ни прекратить. Более того, были сформулированы законы этих превращений. Сегодня мы понимаем, что именно зарядом ядра определяются химические свойства элемента и его положение в периодической системе Менделеева. Когда на две единицы уменьшается что происходит при альфа-распаде, он "перемещается" вверх на 2 клеточки в таблице Менделеева. На одну клетку вниз он смещается при электронном бета-распаде, а на клетку вверх - при позитронном. Несмотря на очевидность этого закона и его кажущуюся простоту, это открытие было одним из самых важных событий в науке начала 20 века.
Женитьба на Мэри Джорджине Ньютон, рождение дочери
В это же время произошло важное событие в личной жизни Эрнеста. Через 5 лет после помолвки с Мэри Джорджиной Ньютон женился на ней ученый Эрнест Резерфорд, биография которого к этому времени уже была отмечена значительными достижениями. Эта девушка была дочерью хозяйки пансиона в Крайстчерче, где он когда-то жил. В 1901 году, 30 марта, появилась на свет единственная дочь в семействе Резерфордов. Это событие практически совпало по времени с рождением в физической науке новой главы - физики ядра. А через 2 года Резерфорд стал членом Лондонского королевского общества.
Книги Резерфорда, опыты по просвечиванию фольги альфа-частицами
Эрнест создал 2 книги, в которых обобщил итоги своих научных поисков и достижений. Первая вышла под названием "Радиоактивность" в 1904 году. "Радиоактивные превращения" появилась через год. Автор этих книг начинал в это время новые исследования. Он понял, что именно из атомов исходит радиоактивное излучение, однако абсолютно неясным оставалось место его возникновения. Следовало изучить устройство ядра. И тогда Эрнест обратился к методике просвечивания альфа-частицами, с которой он начинал свою работу у Томсона. В опытах изучалось, как поток этих частиц проходит через тонкие листочки фольги.
Первая модель атома, предложенная Томсоном
Была предложена первая модель атома, когда стало известно о том, что у электронов отрицательный заряд. Однако они входят в атомы, являющиеся в целом электронейтральными. Значит в его составе должно быть что-то, что носит положительный заряд. Для решения этой проблемы Томсон предложил следующую модель: атом - это что-то вроде капли, положительно заряженной, радиус которой составляет стомиллионную долю сантиметра. Внутри нее имеются крохотные электроны с отрицательным зарядом. Они стремятся под действием кулоновских сил занять положение в самом центре атома, однако если их что-либо выведет из равновесия, они совершают колебания, сопровождающиеся излучением. Эта модель объясняла существование спектров излучения - факт, о котором было известно в то время. Из опытов уже стало ясно, что в твердых телах расстояния между атомами примерно такие же, как и их размеры. Казалось очевидным поэтому, что альфа-частицы не могут пролететь сквозь фольгу, так же как камень не пролетит через лес, в котором деревья растут практически вплотную друг к другу. Однако первые же совершенные Резерфордом опыты убеждали в том, что это не так. Большинство альфа-частиц, почти не отклоняясь, пронизывало фольгу, и только у некоторых наблюдалось отклонение, порой существенное. Этим очень заинтересовался Эрнест Резерфорд. Интересные факты требовали дальнейшего изучения.
Планетарная модель Резерфорда
И тогда вновь проявилась интуиция Резерфорда и умение этого ученого понимать язык природы. Эрнест решительно отказался от предложенной Томсоном модели атома. Опыты Резерфорда привели к тому, что он выдвинул свою, получившую название планетарной. Согласно ей, в центре атома находится ядро, в котором сосредоточена вся масса данного атома, несмотря на его довольно малые размеры. А вокруг ядра, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца, движутся электроны. Массы их существенно меньше, чем у альфа-частиц, и именно поэтому последние практически не отклоняются, когда пронизывают электронные облака. И лишь когда близко от ядра, положительно заряженного, пролетает альфа-частица, кулоновская сила отталкивания способна резко искривить траекторию ее движения. Такова теория Резерфорда. Безусловно, это было великое открытие.
Законы электродинамики и планетарная модель
Опыта Резерфорда было достаточно для того, чтобы убедить многих ученых в существовании планетарной модели. Однако выяснилось, что она не так однозначна. Формула Резерфорда, которую он вывел с опорой на эту модель, согласовалась с данными, полученными в ходе эксперимента. Однако она опровергала законы электродинамики!
Законы эти, которые были установлены в основном трудами Максвелла и Фарадея, утверждают, что заряд, ускоренно движущийся, излучает электромагнитные волны и теряет из-за этого энергию. В атоме Резерфорда электрон движется в кулоновском поле ядра ускоренно и, согласно теории Максвелла, он должен потерять всю энергию за десятимиллионную долю секунды, после чего упасть на ядро. Однако этого не происходило. Следовательно, формула Резерфорда опровергала теорию Максвелла. Эрнест знал об этом, когда в 1907 году настало время возвращаться в Англию.
Переезд в Манчестер и получение Нобелевской премии
Работы Эрнеста в Мак-Гильском университете способствовали тому, что он стал очень известным. Резерфорда стали наперебой приглашать в научные центры разных стран. Ученый весной 1907 года решил оставить Канаду и прибыл в Манчестер, в университет Виктории, где продолжил свои исследования. Совместно с Х.Гейгером он создал в 1908 году счетчик альфа-частиц - новый прибор, сыгравший важную роль в выяснении того, что альфа-частицы - это атомы гелия, дважды ионизированные. Резерфорд Эрнест, открытия которого имели огромное значение, в 1908 году получил Нобелевскую премию (по химии, а не по физике!).
Сотрудничество с Нильсом Бором
Тем временем планетарная модель занимала его мысли все сильнее. И вот в марте 1912 года Резерфорд стал сотрудничать и дружить с Нильсом Бором. Величайшая заслуга Бора (фото его представлено ниже) состояла в том, что он внес принципиально новые черты в планетарную модель - идею квантов.
Он выдвинул "постулаты", казавшиеся на первый взгляд внутренне противоречивыми. По его мнению, в атоме есть орбиты. Электрон, двигаясь по ним, не излучает, вопреки законам электродинамики, хотя и имеет ускорение. Этот ученый указал правило, с помощью которого можно найти эти орбиты. Он выяснил, что кванты излучения появляются лишь при переходе электрона с орбиты на орбиту. решила многие проблемы, а также стала прорывом в мир новых идей. Ее открытие привело к коренному пересмотру представлений о материи, о ее движении.
Дальнейшая обширная деятельность
В 1919 году Резерфорд стал профессором Кембриджского университета, а также директором Кавендишевской лаборатории. Десятки ученых справедливо считали его своим учителем, включая впоследствии удостоенных Нобелевских премий. Это Дж. Чедвик, Г. Мозли, М. Олифант, Дж. Кокрофт, О. Ган, В. Гейтлер, Ю.Б. Харитон, П.Л. Капица, Г. Гамов и др. Поток почестей и наград становился все обильнее. В 1914 году Резерфорд получает дворянство. Президентом Британской ассоциации он становится в 1923 году, а с 1925 по 1930 являлся президентом Королевского общества. Титул барона Эрнест получает в 1931 году и становится лордом. Однако, несмотря на все более высокие нагрузки, и не только научные, он продолжает атаки на тайны ядра и атома.
Предлагаем вам один интересный факт, связанный с научной деятельностью Резерфорда. Известно, что Эрнест Резерфорд пользовался следующим критерием, когда выбирал себе сотрудников: он давал человеку, пришедшему к нему впервые, задание, и если новый сотрудник после этого интересовался, что ему делать дальше, его сразу же увольняли.
Ученый уже приступил к экспериментам, которые окончились открытием им искусственного расщепления ядер атомов и искусственного превращения химических элементов. В 1920 году Резерфорд предсказал существование дейтрона и нейтрона, а в 1933 стал инициатором и участником эксперимента по проверке существующей в ядерных процессах взаимосвязи энергии и массы. В 1932 году, в апреле, он поддержал идею применения ускорителей протонов при исследовании ядерных реакций.
Смерть Резерфорда
Огромное влияние на науку и технику, на жизнь миллионов людей оказали труды Эрнеста Резерфорда и работы его учеников, принадлежащих к нескольким поколениям. Великий ученый, конечно, не мог не задуматься о том, будет ли это влияние положительным. Однако он был оптимистом, свято верил в науку и в людей. Эрнест Резерфорд, краткая биография которого была нами описана, скончался в 1937 году, 19 октября. Его похоронили в Вестминстерском аббатстве.
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».
Резерфорд Эрнест – физик, имеющий двойные корни. Его отец новозеландец, а мать англичанка. С детства ему прививали любовь к науке и Англии, куда впоследствии он и переехал.
Причина, по которой все знают это звучное имя – колоссальные изучения в области радиации и распада частиц, которые он проводил на протяжении всей своей жизни.
Эрнест родился и провел детство в Новой Зеландии, там он получил начальное образование, закончил университет и защищал докторскую диссертацию в 1900 году.
Детство. Учеба
30 августа 1871 году в семье фермера Джеймса и англичанки по происхождению, Марты Томпсон появился четвертый ребенок, которого назвали Эрнест. Позже в семье появилось еще восемь детей, воспитание и трудолюбие прививалось с детства.
По окончанию средней школы Эрнест поступает в колледж. На протяжении всего обучения он усердно учился и старался набирать максимальные баллы, чтобы поступить в колледж при новозеландском университете.
После поступления туда он начинает проявлять себя в студенческой и общественной жизни, возглавляет дискуссионный клуб. Окончил колледж будущий физик с двумя степенями – магистра и бакалавра. Магистра в области гуманитаристики и степень бакалавра естественных наук.
С этого времени он начинает интересоваться электротехникой. В 1895 году Эрнест переезжает в Англию и устраивается на работу в Кембриджский университет, где совершает первое открытие – расстояние, определяющее длину электромагнитной волны.
Научная деятельность
Через три года Эрнест переводится в университет МакГила, тут он становится профессором класса физики и начинает изучение радиоактивности. Альфа и бета частицы были открыты этим физиком в 1899 году, после чего начинается еще более углубленное теоретическое и практическое исследование явлений радиоактивности.
Примерно в это же время Резерфорд делает еще одно открытие, изучив и подробно описав, что радиация – это лишь следствие, вытекающее из спонтанного распада атомов. Он описывает, что для уменьшения радиоактивности материала в 2 раза, необходимо определенное время, названное им – «период полураспада».
В 1903 году Эрнест Резерфорд обнаруживает еще не открытый вид электромагнитных волн, который называет «гамма излучение». Через несколько лет его переводят в университет города Манчестер, где он разрабатывает, совместно с коллегами, камеру ионизационную и отражающий экран для последующих своих опытов.
В 1911 году он представил модель атома и предоставил теорию, согласно которой вокруг любого положительно заряженного атома имеются электроны. Через некоторое время в Кавендишской лаборатории он провел опыт по трансмутации, да него такого еще никто не делал, так что в какой-то степени это было открытие. Во время опыта он превратил азот в кислород.
Семья Резерфорда Эрнеста
После переезда в Англию Эрнест знакомится с Марией Георгиной Ньютон и делает ей предложение в 1895 году, а в 1900 году она становится его женой. У пары родился один ребенок, девочка – Эйлин Мария через год после свадьбы.
Смерть Резерфорда Эрнеста
Пупочная грыжа – болезнь, которой страдал известный физик. Операция была проведена позже запланированного времени из-за отсутствия квалифицированного хирурга, и через несколько дней после этого, 19 октября 1937 года знаменитый на весь мир физик скончался.
Вестминстерское аббатство стало последним домом известного физика. Его похоронили тут в аббатстве рядом с другими известными научными деятелями.
Награды физика
Нобелевскую премию Резерфорд Эрнест получает за большой вклад в изучение химии в 1908 году, а именно – опыты проводимые с частицами, их распадом, и радиоактивными веществами, получаемыми из них. В 1914 году его посвятили в рыцари, и он стал именоваться «сэр Эрнст», а еще через два года награждают медалью имени сэра Джеймса Гектора.
Орден Великобритании «За заслуги» физик получает в 1925 году. А спустя шесть лет, в 1931 году, Эрнест удостаивается титула барона Резерфорда Нельсонского и Кембриджского.
- Когда Эрнест родился, его имя сразу неправильно написали, сделав ошибку, в результате чего вышло Earnest – серьезный.
- Благодаря открытию Резерфордом «периода полураспада», со временем ученые смогли точнее вычислить возраст Земли.
- В 1935 году доказав теорию существования нейронов, предложенную Эрнестом Резерфордом, Джеймс Чедвик получил Нобелевскую премию. «Крокодил» - прозвище данное Резерфорду Капицей.
- Резерерфорд считал, несмотря на собственные открытия, что из атома невозможно получить энергию.
- В честь физика названы: кратер, химический элемент № 104, лаборатория, открытая в 1957 году, астероид.
