Резерфорд Эрнест: биография, опыты, открытия

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 Нобелевской премии по химии,

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 Южного острова Новой Зеландии 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 известным ученым, 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 периоде полураспада - 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 заряд ядра, 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. Модель атома Резерфорда-Бора 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.