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.
Итак, сегодня у нас суббота, 17 июня 2017 года и мы традиционно предлагаем вам ответы на викторину в формате «Вопрос - ответ». Вопросы нам встречаются как самые простые, так и достаточно сложные. Викторина очень интересная и достаточно популярная, мы же просто помогаем вам проверить свои знания и убедиться, что вы выбрали правильный вариант ответа, из четырех предложенных. И у нас очередной вопрос в викторине - Какое прозвище физик Эрнест Резерфорд получил благодаря тому что ученики издалека узнавали его по шагам и по голосу?
- Динамит
- Крокодил
- Будильник
Правильный ответ С - Крокодил
В 1931 году Резерфорд выхлопотал 15 ООО фунтов стерлингов на постройку и оснащение оборудованием специального здания для лаборатории Капицы, торжественное открытие которой состоялось в феврале 1933 года. Входную дверь в лабораторию двухэтажного здания открыли «золотым» ключом в форме крокодила. На торцевой стене лабораторного корпуса было высечено изображение огромного крокодила. По заказу Капицы эту работу выполнил известный скульптор Эрик Гилл.
Почему крокодил? Оказывается, крокодил - это кличка Резерфорда, данная ему Капицей. Об этом знали все сотрудники лаборатории, знал и сам Резерфорд. Об ее происхождении Капица говорил: «Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать резерфордовскую проницательность и его стремление к продвижению вперед».
Нобелевская премия по химии 1908 г.
Формулировка Нобелевского комитета: «За проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».
Когда пишешь статью, а не книгу о нобелевском лауреате, существуют 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 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 г. 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 первого героя нашего нобелевского цикла и своего ученика Петра Капицы - Крокодил.
Резерфорда можно считать счастливцем. Родившись дальше, чем в провинции - не в Девоншире каком-нибудь, не в Эдинбурге, и даже не в Сиднее и не в Веллингтоне - в Новозеландской провинции, в фермерской семье - он сумел пробиться, но стипендию имени Всемирной выставки 1851 г. для одаренных провинциалов, получил лишь тогда, когда тот, кому ее присудили, отказался от нее.
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. Дальше разрабатывать детектор ему не дали - все деньги почта Британии поставила на Маркони. И новозеландец записался в Кавендишевскую лабораторию при Кембридже.
Кстати, Кавендишевская лаборатория названа не по имени химика Генри Кавендиша (который был 2-м герцогом Девонширским), а по имени 7-го герцога, Уильяма Кавендиша, канцлера Кембриджа, который пожертвовал денег на открытие лаборатории. Такой себе английский мегагрант. Между прочим, весьма успешный: на настоящий момент 29 сотрудников этого проекта получили Нобелевские премии (включая нашего Капицу).
Резерфорд стал докторантом у самого Джи-Джи (Дж. Дж. Томсона), первооткрывателя электрона (Томсон - лауреат «физического нобеля» 1906 г., не за электрон, а за исследования прохождения токов в газах). И 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 Джи-Джи он изучал ионизацию газов рентгеновским излучением. В 1898 г. он показал, что радиоактивное излучение - сложная штука, и выделил из него «альфа-лучи» и «бета-лучи». Сейчас мы знаем, что это - ядра гелия и электроны. Кстати, химической природе альфа-лучей посвящена Нобелевская лекция Резерфорда.
Схема опыта по обнаружению сложного состава радиоактивного излучения. 1 - радиоактивный препарат, 2 - свинцовый цилиндр, 3 - фотопластинка
В 1901 - 1903 гг. вместе с будущим нобелиатом по химии 1921 г., Фредериком Содди открыл естественные превращения элементов при радиоактивном распаде (за это Резерфорд и получил «нобеля»). При этом была открыта «эманация тория» - газообразный радон-220 и сформулирован закон радиоактивного распада.
Но самый известный свой эксперимент он (а точнее, его ученики Гейгер и Мардсен) провели в 1909 г. Исследование прохождения альфа-частиц сквозь золотую фольгу показало, что некоторые ядра гелия отбрасываются отбратно. «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. Что потом сделал с ней Бор, мы расскажем в статье про Нильса Бора (ведь нобелиатом был и сын Бора Оге), а сейчас продолжим.
Во время Первой мировой войны Резерфорд работает над детектированием вражеских подлодок (Резерфорд - «офицер связи»), и одновременно, в 1917 г. 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 г. предсказал существование нейтрона (его потом открыл ученик Резерфорда Чедвик).
Герб Резерфорда
Во время войны Резерфорд становится и дворянином. Несмотря на то, что удар мечом Резерфорд получил от короля в 1914 г., бароном Резерфордом Нельсоном он официально стал в 1931 г. с утверждением соответствующего герба. На гербе - две птицы киви, символы 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».
Но самое важное наследие сэра Эрнеста, это, конечно, его школа. 12 учеников его стали нобелевскими лауреатами - об одном из них мы уже писали в . Капица был действительно любимым и лучшим учеником Резерфорда в послевоенный период. Как мы уже говорили, именно он дал прозвище «Крокодил» шефу. Как пояснял сам Капица, это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать Резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперед, а в России на крокодила смотрят со смесью ужаса и восхищения. Говорят, именно уход Капицы (а точнее, невозможность вернуться в Кембридж) разрушительно подействовали на Резерфорда и лабораторию.
Крокодил скончался в 1937 г. совсем молодым по нашим меркам - всего в 66 лет, и памятное слово над ним произнес старенький его научрук - Джи-Джи. Последняя книга, которую он выпустил, была научно-популярной. «Современная алхимия» - понятно о чем.
Если писать о памяти и чествовании нашего героя, то один список будет длиннее нашей статьи. Могила в Вестминстерском аббатстве - рядом с Ньютоном, астероид Резерфордия… Почетное членство и множество наград. Странно только, что у него лишь одна Нобелевская премия, остальные достались его ученикам.
Отдельная и почти детективная история связана с увековечиванием имени Крокодила в таблице Менделеева. Какое-то время резерфордием был 106 элемент (ныне - сиборгий), какое-то время - 103-й (лоуренсий), но после долгих споров американцев и россиян о названиях и приоритетах, резерфордием стал 104 элемент таблицы Менделеева, впервые синтезированный в Дубне.
Ну а закончить мне хочется словами субдекана Вестминстерского аббатства во время службы по усопшему барону Резерфорду Нельсону, понятно к кому обращенными: «Мы благодарим Тебя за труды и дни брата нашего Эрнеста».
Сэр Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford). Родился 30 августа 1871 года в Спринг Грув, Новая Зеландия - умер 19 октября 1937 года в Кембридже. Британский физик новозеландского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния α-частиц доказал существование в атомах положительного заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. На основе результатов опыта создал планетарную модель атома.
Резерфорд родился в Новой Зеландии в небольшом посёлке Спринг-Грув (англ. Spring Grove), расположенном на севере Южного острова близ города Нельсона, в семье фермера, выращивавшего лён. Отец - Джеймс Резерфорд, иммигрировал из г. Перт (Шотландия). Мать - Марта Томпсон, родом из Хорнчёрча, графство Эссекс, Англия. В это время другие шотландцы эмигрировали в Квебек (Канада), но семье Резерфорд не повезло и бесплатный билет на пароход правительство предоставило до Новой Зеландии, а не до Канады.
Эрнест был четвёртым ребёнком в семье из двенадцати детей. Имел удивительную память, богатырское здоровье и силу. С отличием окончил начальную школу, получив 580 баллов из 600 возможных и премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения учёбы в колледже Нельсона. Очередная стипендия позволила ему продолжить обучение в Кентербери-колледже в Крайстчёрче (ныне Новозеландский университет). В те времена это был маленький университет со 150 студентами и всего 7 профессорами. Резерфорд увлекается наукой и с первого дня начинает исследовательскую работу.
Его магистерская работа, написанная в 1892 году, называлась «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах». Работа касалась обнаружения высокочастотных радиоволн, существование которых было доказано в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем. Резерфордом был придуман и изготовлен прибор - магнитный детектор, один из первых приёмников электромагнитных волн.
Закончив университет в 1894 году, Резерфорд в течение года был преподавателем в средней школе.
Наиболее одарённым молодым подданным британской короны, проживавшим в колониях, один раз в два года предоставлялась особая Стипендия имени Всемирной выставки 1851 года - 150 фунтов в год, дававшая возможность поехать для дальнейшего продвижения в науке в Англию. В 1895 году Резерфорд был удостоен этой стипендии, так как тот, кто её сначала получил - Маккларен, отказался от неё. Осенью того же года, заняв деньги на билет на пароход до Великобритании, Резерфорд прибывает в Англию в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета и становится первым докторантом её директора Джозефа Джона Томсона.
1895 год был первым годом, когда (по инициативе Дж. Дж. Томсона) студенты, закончившие другие университеты, могли продолжать научную работу в лабораториях Кембриджа. Вместе с Резерфордом этой возможностью воспользовались, записавшись в Кавендишскую лабораторию, Джон Мак-Леннан, Джон Таунсенд и Поль Ланжевен. С Ланжевеном Резерфорд работал в одной комнате и подружился с ним, эта дружба продолжалась до конца их жизни.
В том же 1895 году была заключена помолвка с Мэри Джорджиной Ньютон (1876-1945) - дочерью хозяйки пансиона, в котором жил Резерфорд. (Свадьба состоялась в 1900 году, 30 марта 1901 года у них родилась дочь - Эйлин Мэри (1901-1930), впоследствии жена Ральфа Фаулера, известного астрофизика.)
Резерфорд планировал заниматься детектором радиоволн или волн Герца, сдать экзамены по физике и получить степень магистра. Но в следующем году оказалось, что государственная почта Великобритании выделила деньги Маркони на эту же самую работу и отказалась её финансировать в Кавендишской лаборатории. Так как стипендии не хватало даже на еду, Резерфорд вынужден был начать работать репетитором и ассистентом у Дж. Дж. Томсона по теме изучения процесса ионизации газов под действием рентгеновских лучей. Вместе с Дж. Дж. Томсоном Резерфорд открывает явление насыщения тока при ионизации газа.
В 1898 году Резерфорд открывает альфа- и бета-лучи. Спустя год Поль Вийяр открыл гамма-излучение (название этого типа ионизирующего излучения, как и первых двух, предложено Резерфордом).
С лета 1898 года учёный делает первые шаги в исследовании только что открытого явления радиоактивности урана и тория. Осенью Резерфорд по предложению Томсона, преодолев конкурс в 5 человек, занимает должность профессора университета Макгилла в Монреале (Канада) с окладом 500 фунтов стерлингов или 2500 канадских долларов в год. В этом университете Резерфорд плодотворно сотрудничает с Фредериком Содди, в то время младшим лаборантом химического факультета, впоследствии (как и Резерфорд) нобелевским лауреатом по химии (1921 г.). В 1903 году Резерфорд и Содди выдвинули и доказали революционную идею о преобразовании элементов в процессе радиоактивного распада.
Получив широкую известность благодаря своим работам в области радиоактивности, Резерфорд становится востребованным учёным и получает многочисленные предложения работы в научно-исследовательских центрах различных стран мира. Весной 1907 года он покидает Канаду и начинает профессорскую деятельность в университете Виктории (ныне - Манчестерский университет) в Манчестере (Англия), где его зарплата стала выше примерно в 2,5 раза.
В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».
Получив известие о присуждении ему Нобелевской премии по химии, Резерфорд заявил: «Вся наука - или физика, или коллекционирование марок» (All science is either physics or stamp collecting) .
Важным и радостным событием в жизни стало избрание учёного членом Лондонского Королевского общества в 1903 году, а с 1925 по 1930 года он занимал пост его президента. В 1931 - 1933 годах Резерфорд был президентом Института Физики.
В 1914 году Резерфорд удостоен дворянского титула и становится «сэром Эрнстом». 12 февраля в Букингемском дворце король посвятил его в рыцари: он был облачён в придворный мундир и препоясан мечом.
Свой геральдический герб, утверждённый в 1931 году, пэр Англии барон Резерфорд Нельсон (так стал зваться великий физик после возведения в дворянское звание) увенчал птицей киви, символом Новой Зеландии. Рисунок герба - изображение экспоненты - кривой, характеризующей монотонный процесс убывания со временем числа радиоактивных атомов.
Научные достижения Резерфорда:
Согласно воспоминаниям , Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, которая характерна стремлением разобраться в сути физического явления и проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориями (в отличие от «немецкой» школы экспериментаторов, которая исходит из существующих теорий и стремится проверить их опытом).
Он мало пользовался формулами и мало прибегал к математике, но был гениальным экспериментатором, напоминая в этом отношении Фарадея. Отмечаемым Капицей важным качеством Резерфорда как экспериментатора была его наблюдательность. В частности, благодаря ей он открыл эманацию тория, заметив различия в показаниях электроскопа, измерявшего ионизацию, при открытой и закрытой дверце в приборе, перекрывавшей поток воздуха. Другой пример - открытие Резерфордом искусственной трансмутации элементов, когда облучение ядер азота в воздухе альфа-частицами сопровождалось появлением высокоэнергичных частиц (протонов), имевших больший пробег, но очень редких.
1904 год - «Радиоактивность»
1905 год - «Радиоактивные превращения»
1930 год - «Излучения радиоактивных веществ» (в соавторстве с Дж. Чедвиком и Ч. Эллисом).
12 учеников Резерфорда стали лауреатами Нобелевской премии по физике и химии. Один из наиболее талантливых учеников Генри Мозли, экспериментально показавший физический смысл Периодического закона, погиб в 1915 году на Галлиполи в ходе Дарданелльской операции. В Монреале Резерфорд работал с Ф. Содди, О. Ханом; в Манчестере - с Г. Гейгером (в частности, помог тому разработать счётчик для автоматического подсчёта числа ионизирующих частиц), в Кембридже - с Н. Бором, П. Капицей и многими другими знаменитыми в будущем учёными.
После открытия радиоактивных элементов началось активное изучение физической природы их излучения. Резерфорду удалось обнаружить сложный состав радиоактивного излучения.
Опыт состоял в следующем. Радиоактивный препарат помещали на дно узкого канала свинцового цилиндра, напротив помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало магнитное поле. При этом вся установка находилась в вакууме.
В магнитном поле пучок распадался на три части. Две составляющие первичного излучения отклонялись в противоположные стороны, что указывало на наличие у них зарядов противоположных знаков. Третья составляющая сохраняла прямолинейность распространения. Излучение, обладающее положительным зарядом, получило название альфа-лучи, отрицательным - бета-лучи, нейтральным - гамма-лучи.
Изучая природу альфа-излучения, Резерфорд провёл следующий эксперимент. На пути альфа-частиц он поместил счётчик Гейгера, который измерял число испускающихся частиц за определённое время. После этого при помощи электрометра он измерил заряд частиц, испущенных за это же время. Зная суммарный заряд альфа-частиц и их количество, Резерфорд рассчитал заряд одной такой частицы. Он оказался равен двум элементарным.
По отклонению частиц в магнитом поле он определил отношение её заряда к массе. Оказалось, что на один элементарный заряд приходятся две атомные единицы массы.
Таким образом, было установлено, что при заряде, равном двум элементарным, альфа-частица имеет четыре атомные единицы массы. Из этого следует, что альфа-излучение - это поток ядер гелия.
В 1920 году Резерфорд высказал предположение, что должна существовать частица массой, равной массе протона, но не имеющая электрического заряда - нейтрон. Однако обнаружить такую частицу ему не удалось. Её существование было экспериментально доказано Джеймсом Чедвиком в 1932 году.
Кроме того, Резерфорд уточнил на 30% отношение заряда электрона к его массе.
На основе свойств радиоактивного тория Резерфорд открыл и объяснил радиоактивное превращение химических элементов. Учёный обнаружил, что активность тория в закрытой ампуле остаётся неизменной, но если препарат обдувать даже очень слабым потоком воздуха, его активность значительно уменьшается. Было высказано предположение о том, что одновременно с альфа-частицами торий испускает радиоактивный газ.
Результаты совместной работы Резерфорда и его коллеги Фредерика Содди были опубликовали в 1902-1903 годах в ряде статей в «Philosophical Magazine». В этих статьях, проанализировав полученные результаты, авторы пришли к выводу о возможности превращения одних химических элементов в другие.
Выкачивая воздух из сосуда с торием, Резерфорд выделил эманацию тория (газ, известный сейчас как торон или радон-220, один из изотопов радона) и исследовал её ионизирующую способность. Было выяснено, что активность этого газа каждую минуту убывает вдвое.
Изучая зависимость активности радиоактивных веществ от времени, учёный открыл закон радиоактивного распада.
Поскольку ядра атомов химических элементов достаточно устойчивы, Резерфорд предположил, что для их преобразования или разрушения нужна очень большая энергия. Первое ядро, подвергнутое искусственному преобразованию - ядро атома азота. Бомбардируя азот альфа-частицами с большой энергией, Резерфорд обнаружил появление протонов - ядер атома водорода.
Резерфорд - один из немногих лауреатов Нобелевской премии, кто сделал свою самую известную работу после её получения. Совместно с Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом в 1909 году, он провёл эксперимент, который продемонстрировал существование ядра в атоме. Резерфорд попросил Гейгера и Марсдена в этом эксперименте искать альфа-частицы с очень большими углами отклонения, что не ожидалось от модели атома Томсона в то время. Такие отклонения, хотя и редкие, были найдены, и вероятность отклонения оказалась гладкой, хотя и быстро убывающей функцией угла отклонения.
Позднее Резерфорд признался, что когда предложил своим ученикам провести эксперимент по рассеиванию альфа-частиц на бо́льшие углы, он сам не верил в положительный результат.
Резерфорд смог интерпретировать полученные в результате эксперимента данные, что привело его к разработке планетарной модели атома в 1911 году. Согласно этой модели атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, содержащего большую часть массы атома, и обращающихся вокруг него лёгких электронов.
За добрый нрав Капицa прозвал Резерфорда «Крокодилом». В 1931 году «Крокодил» выхлопотал 15 тысяч фунтов стерлингов на постройку и оборудование специального здания лаборатории для Капицы. В феврале 1933 года в Кембридже состоялось торжественное открытие лаборатории. На торцевой стене 2- этажного здания был высечен по камню огромный, во всю стену крокодил. Его по заказу Капицы сделал известный скульптор Эрик Гилл. Резерфорд сам объяснил, что это он. Входную дверь открыли позолоченным ключом в форме крокодила.
По словам Ива, Капица так объяснял придуманное им прозвище: «Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать Резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперед» . Капица добавлял, что «в России на Крокодила смотрят со смесью ужаса и восхищения».
Интересно, что Резерфорд, открывший ядро атома, скептически отзывался о перспективах ядерной энергетики: «Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор» .
(1871-1937) английский физик, основоположник ядерной физики
Эрнест Резерфорд родился в Спринг-Гроуве (сейчас г. Брайтуотер) в Новой Зеландии, в простой шотландской семье. Его отец, Джеймс Резерфорд, был колесным мастером, а мать, Марта Томсон, - учительницей. Эрнест был четвертым ребенком из двенадцати детей. С детства он был очень наблюдательным и трудолюбивым мальчиком. Окончив начальную школу как лучший ученик, Эрнест получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нельсон, куда поступил в 1887 году в пятый класс. Уже здесь проявились его исключительные способности к математике; он также хорошо занимался физикой, химией, литературой, латинским и французским языками. Эрнест в детстве увлекался конструированием различных механизмов: строил модели водяных мельниц, машины, даже смастерил фотоаппарат.
Окончив колледж, он поступил в Кентерберийский колледж Новозеландского университета в Крайстчерче. Здесь Резерфорд уже более серьезно начинает заниматься физикой и химией, работает в студенческих кружках и даже является одним из инициаторов создания в университете научного студенческого общества.
Прочитав статью немецкого физика Генриха Герца об открытии электромагнитных волн, Резерфорд решил исследовать их свойства. Но возникла проблема обнаружения приходящих электромагнитных волн. Ему удалось установить, что об их присутствии можно судить по размагничиванию железа. Это было первое настоящее открытие двадцатитрехлетнего Резерфорда.
В 1894 году Эрнест закончил колледж с отличием и получил степень магистра по физике и математике. Он стал учителем физики средней школы, но на этом поприще не преуспел. В 1895 году ему была присуждена самая крупная стипендия - «стипендия 1851 года», которая давала возможность стажировки в лучших лабораториях страны. Осенью 1895 года Резерфорд приехал в Кембридж - научный центр Англии - и начал работать в Кавендишской лаборатории под руководством выдающегося английского физика Джозефа Джона Томсона (1856-1940).
Эрнест продолжает свои исследования в области электромагнитных волн, и в 1896 году ему удается установить радиосвязь на расстоянии около 3 километров. Практическая сторона радиосвязи его мало интересовала, и поэтому он прекращает свои работы в этой области, а передатчик дарит итальянскому инженеру Г. Маркони, использовавшему его в своих исследованиях. В это время Резерфорд совместно с Дж. Дж. Томсоном начинает работы по изучению ионизации газов и воздуха разными методами, включая лучи Рентгена. Но после открытия в 1896 году Беккерелем радиоактивности Резерфорд занялся сравнением лучей Рентгена и Беккереля.
В 1898 году он получил должность профессора физики Мак-Гиллского университета в Монреале и в сентябре этого же года прибыл в Канаду. В Мак-Гиллском университете он проработал 9 лет - до 1907 года - и сделал много важных открытий. В 1898 году Резерфорд приступил к исследованию уранового излучения, результаты которого были опубликованы в 1899 году в статье «Излучение урана и созданная им электропроводность». Исследуя урановое излучение в магнитном поле, Резерфорд установил, что оно состоит из двух составляющих. Первую составляющую, которая отклоняется в одну сторону и легко поглощается листом бумаги, он назвал альфа-лучами, а вторую, отклоняющуюся в противоположную сторону и обладающую большей проникающей способностью, - бета-лучами.
В 1900 году в излучении урана Вилларом была открыта еще одна составляющая, которая не отклонялась в магнитном поле и обладала наибольшей проникающей способностью, она была названа гамма-лучами. В 1900 году, занимаясь изучением радиоактивности тория, Резерфорд открыл новый газ, названный позже радоном. Совместно с английским физиком и химиком Фредериком Содди он в 1902-1903 годах разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. Резерфорд предсказал существование трансурановых элементов. Итогом девятилетней работы ученого в Монреале являются более 50 опубликованных научных статей и книга «Радиоактивность», которая подытожила все известные науке знания об этом явлении.
Имя Резерфорда становится известным, и он получает приглашение занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета и директора физической лаборатории. 24 мая 1907 года Эрнест Резерфорд возвращается в Европу и приступает к работе по разгадке природы альфа-частиц и их прохождения через вещество, изучение которых он начал еще в Канаде. За исследования по превращению элементов и химии радиоактивных веществ ему в 1908 году была присуждена Нобелевская премия по химии.
В Манчестере Резерфорд создает коллектив выдающихся исследователей из разных стран мира, среди которых были немецкий физик Ганс Гейгер (1882-1945), английский физик Генри Мозли (1887-1915), новозеландский физик, в то время студент последнего курса, Эрнест Марсден (1889-1970) и другие ученые. В атмосфере коллективного научного творчества были сделаны крупнейшие научные открытия Резерфорда. В 1908 году он вместе с Гейгером сконструировал прибор для регистрации отдельных заряженных частиц, получивший название «счетчик Гейгера». В 1909 году выяснил природу альфа-частиц: они являются дважды ионизированными атомами гелия. В 1911 году, основываясь на результатах опытов, проводимых его учениками Марсденом и Гейгером, установил закон рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов, что привело его в мае 1911 года к созданию новой модели атома - планетарной. Согласно этой модели, атом подобен Солнечной системе: в центре расположено массивное положительное ядро диаметром около 10 12 см, вокруг которого по круговым орбитам вращаются отрицательные электроны. Число элементарных положительных зарядов, содержащихся в атомном ядре, совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева, в его оболочке содержится такое же количество электронов, так как атом в целом электро-нейтрален.
Прежде чем Резерфорд смог воскликнуть: «Теперь я знаю, как выглядит атом!», Марсдену и Гейгеру пришлось зафиксировать и подсчитать более 2 миллионов еле видимых сцинтилляций (вспышек) альфа-частиц.
В 1912 году в Манчестер приехал выдающийся датский физик Нильс Бор. Ему удалось устранить противоречия планетарной модели атома, предложенной Резерфордом. В результате его работы появилась модель атома Резерфорда-Бора, положившая начало квантовой и ядерной физике.
В 1914 году Резерфорд выдвинул идею об искусственном превращении атомных ядер. Но начавшаяся Первая мировая война прервала исследования и разбросала дружный коллектив по разным, враждующим друг с другом странам. Сам Резерфорд был привлечен к военным исследованиям и занимался разработкой акустических методов борьбы с немецкими подводными лодками. На фронте в 1915 году в возрасте 28 лет был убит Генри Мозли - один из его лучших учеников, прославивший свое имя крупным открытием в спектроскопии рентгеновских лучей. Джеймс Чедвик находился в немецком плену, Марсден сражался во Франции, а Нильс Бор вернулся в Копенгаген. Лишь после войны Резерфорд смог возобновить свои исследования.
В 1919 году он переезжает в Кембридж, где занимает пост профессора Кембриджского университета и сменяет своего учителя Дж. Дж. Томсона, став директором Кавендишской лаборатории. Этот пост ученый занимал до конца своей жизни. Продолжаемые исследования приносят блестящие результаты: была осуществлена искусственная ядерная реакция превращения азота в кислород, что заложило основы современной физики ядра. В 1920 году Резерфорд предсказал существование нейтрона - нейтральной частицы, равной по массе ядру водорода. Такая частица была обнаружена в 1932 году его учеником и сотрудником Чедвиком, ставшим в связи с этим Нобелевским лауреатом. Руководимая Резерфордом Кавендишская лаборатория стала научной Меккой для ученых-физиков всех стран.
К своим ученикам он относился исключительно заботливо, ласково называя их «мальчиками», не позволял работать в лаборатории дольше шести часов вечера, а по выходным дням не позволял работать совсем. Он руководил своими учениками, как «благодушный отец семейства», и они любовно называли своего учителя «папой». Ежедневно Резерфорд собирал сотрудников за чашкой чая для обсуждения не только научных проблем и результатов экспериментов, но и вопросов политики, искусства и литературы. Великий ученый был начисто лишен всякой чопорности, снобизма и стремления создать вокруг себя обстановку преклонения.
У него учились и советские физики Ю. Б. Харитон, А. И. Лейпунский, К. Д. Синельников, Л. Д. Ландау и другие. В 1921 году к Резерфорду в Кембридж приехал молодой советский физик Петр Леонидович Капица (1894-1984) и проработал там 13 лет. Он стал активным сотрудником и другом Резерфорда, оправдал надежды своего учителя, достигнув выдающихся научных результатов. В 1971 году по инициативе П. Л. Капицы к 100летию со дня рождения ученого в нашей стране была выпущена юбилейная медаль Резерфорда и издано собрание его трудов.
Он был членом всех академий наук мира, с 1925 года - иностранным членом Академии наук Советского Союза; с 1903 года членом Лондонского королевского общества, а с 1925 по 1930 год - его президентом. В 1931 году он получил титул барона и стал лордом Нельсоном. Великий экспериментатор за свои научные заслуги был удостоен всех наград научного мира.
Эрнест Резерфорд умер 19 октября 1937 года в возрасте 66 лет. Его смерть была огромной утратой для науки, многочисленных учеников и всего человечества. Великий физик похоронен в Вестминстерском аббатстве - в соборе Святого Павла, рядом с могилами И. Ньютона, М. Фарадея, Ч. Дарвина, В. Гершеля, в одном из нефов собора, названном «Уголком науки».
