Английский физик Эрнест Резерфорд

РЕЗЕРФОРД (Rutherford), Эрнест 30 августа 1871 г. – 19 октября 1937 г. Нобелевская премия по химии, 1908 г. Английский физик Эр нест Резерфорд родился в Новой Зеландии, неподалеку от г. Нельсона. Он был одним из 12 детей колесного мастера и строительного рабочего Джеймса Рез ерфорда, шотландца по происхождению, и Марты (Томпсон) Резерфорд, школьно й учительницы из Англии. Сначала Резерфорд посещал начальную и среднюю м естные школы, а затем стал стипендиатом Нельсон-колледжа, частной высшей школы, где проявил себя талантливым студентом, особенно по математике. Б лагодаря успехам в учебе Резерфорд получил еще одну стипендию, которая п озволила ему поступить в Кентербери-колледж в Крайстчерче, одном из круп нейших городов Новой Зеландии. В колледже на Резерфорда оказали большое влияние его учителя: преподава вший физику и химию Э.У. Бикертон и математик Дж. Х.Х. Кук. После того как в 1892 г. Резерфорду была присуждена сте пень бакалавра гуманитарных наук, он остался в Кентербери-колледже и про должил свои занятия благодаря полученной стипендии по математике. На сл едующий год он стал магистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамен ы по математике и физике. Его магистерская работа касалась обнаружения в ысокочастотных радиоволн, существование которых было доказано около д есяти лет назад. Для того чтобы изучить это явление, он сконструировал ра диоприемник (за несколько лет до того, как это сделал Гульельмо Маркони) и с его помощью получал сигналы, передаваемые ко ллегами с р асстояния полумили. В 1894 г. Резерфорду была присуждена ст епень бакалавра естественных наук. В Кентербери-колледже существовала традиция: любой студент, получивший степень магистра гуманитарных наук и оставшийся в колледже, должен был провести дальнейшие исследования и п олучить степень бакалавра естественных наук. Затем Резерфорд в течение недолгого времени преподавал в одной из мужских школ Крайстчерча. Благо даря своим необыкновенным способностям к науке Резерфорд был удостоен стипендии Кембриджского университета в Англии, где он занимался в Кавен дишской лаборатории, одном из ведущих мировых центров научных исследов аний. В Кембридже Резерфорд работал под руководством английского физика Дж.Д ж. Томсона. На Томсона произвело глубокое впечатление проведенное Резер фордом исследование радиоволн, и он в 1896 г. предложил совместно изучать воздействие рентгеновских лучей (отк рытых годом ранее Вильгельмом Рентгеном) на электрические разряды в газ ах. Их сотрудничество увенчалось весомыми результатами, включая открыт ие Томсоном электрона – атомной частицы, несущей отрицательный электр ический заряд. Опираясь на свои исследования, Томсон и Резерфорд выдвину ли предположение, что, когда рентгеновские лучи проходят через газ, они р азрушают атомы этого газа, высвобождая одинаковое число положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы они назвали ионами. После эт ой работы Резерфорд занялся изучением атомной структуры. В 1898 г. Резерфорд принял место профес сора Макгиллского университета в Монреале (Канада), где начал серию важн ых экспериментов, касающихся радиоактивного излучения элемента урана. Вскоре он открыл два вида этого излучения: испускание альфа-лучей, прони кающих только на короткое расстояние, и бета-лучей, которые проникают на значительно большее расстояние. Затем Резерфорд обнаружил, что радиоак тивный торий испускает газообразный радиоактивный продукт, который он назвал «эманация» (испускание). Дальнейшие исследования показали, что два других радиоактивных элемен та – радий и актиний – также производят эманацию. На основании этих и др угих открытий Резерфорд пришел к двум важным для понимания природы ради ации выводам: все известные радиоактивные элементы испускают альфа- и бе та-лучи, и, что еще более важно, радиоактивность любого радиоактивного эл емента через определенный конкретный период времени уменьшается. Эти в ыводы дали основание предполагать, что все радиоактивные элементы прин адлежат к одному семейству атомов и что в основу их классификации можно положить период уменьшения их радиоактивности. Опираясь на дальнейшие исследования, проведенные в Макгиллском универ ситете в 1901-1902 гг., Резерфорд и его коллега Фредерик Содди изложили основные положения созданной ими теории радиоактивности. В соответствии с этой т еорией радиоактивность возникает тогда, когда атом отторгает частицу с амого себя, которая выбрасывается с огромной скоростью, и эта потеря пре вращает атом одного химического элемента в атом другого. Выдвинутая Рез ерфордом и Содди теория вступала в противоречие с рядом ранее существов авших представлений, включая признаваемую всеми долгое время концепци ю, согласно которой атомы являются неделимыми и неизменяемыми частицам и. Резерфорд провел дальнейшие эксперименты для получения результатов, которые подтвердили выстраиваемую им теорию. В 1903 г. он доказал, что альфа-частицы несут положительный заря д. Поскольку эти частицы обладают измеримой массой, «выбрасывание» их из атома имеет решающее значение для превращения одного радиоактивного э лемента в другой. Созданная теория позволила Резерфорду также предсказ ать, с какой скоростью различные радиоактивные элементы будут превраща ться в то, что он называл дочерним материалом. Ученый был убежден, что альф а-частицы неотличимы от ядра атома гелия. Подтверждение этому было получ ено, когда Содди, работавший тогда с английским химиком Уильямом Рамзаем , открыл, что эманация радия содержит гелий, предполагаемую альфа-частиц у. В 1907 г. Резерфорд, стремясь находитьс я ближе к центру научных исследований, занял пост профессора физики в Ма нчестерском университете (Англия). С помощью Ганса Гейгера, который впос ледствии прославился как изобретатель счетчика Гейгера, Резерфорд соз дал в Манчестере школу по изучению радиоактивности. В 1908 г. Резерфорду была присуждена Но белевская премия по химии «за проведенные им исследования в области рас пада элементов в химии радиоактивных веществ». В своей вступительной ре чи от имени Шведской королевской академии наук К.Б. Хассельберг указал н а связь между работой, проведенной Резерфордом, и работами Дж.Дж.Томсона, Анри Беккереля, Пьера и Марии Кюри. «Открытия привели к потрясающему выв оду: химический элемент... способен превращаться в другие элементы», – ск азал Хассельберг. В своей Нобелевской лекции Резерфорд отметил: «Есть вс е основания полагать, что альфа-частицы, которые так свободно выбрасываю тся из большинства радиоактивных веществ, идентичны по массе и составу и должны состоять из ядер атомов гелия. Мы, следовательно, не можем не прийт и к заключению, что атомы основных радиоактивных элементов, таких, как ур ан и торий, должны строиться, по крайней мере частично, из атомов гелия». После получения Нобелевской премии Резерфорд занялся изучением явлени я, которое наблюдалось при бомбардировке пластинки тонкой золотой фоль ги альфа-частицами, излучаемыми таким радиоактивным элементом, как уран . Оказалось, что с помощью угла отражения альфа-частиц можно изучать стру ктуру устойчивых элементов, из которых состоит пластинка. Согласно прин ятым тогда представлениям, модель атома была подобна пудингу с изюмом: п оложительные и отрицательные заряды были равномерно распределены внут ри атома и, следовательно, не могли в значительной мере изменять направл ение движения альфа-частиц. Резерфорд, однако, заметил, что определенные альфа-частицы отклонялись от ожидаемого направления в значительно бол ьшей степени, чем это допускалось теорией. Работая с Эрнестом Марсденом, студентом Манчестерского университета, ученый подтвердил, что довольн о большое число альфа частиц отклоняется дальше, чем ожидалось, причем н екоторые под углом более чем 90 градусов. Размышляя над этим явлением, Резерфорд в 1911 г. предложил новую модель атома. Согласно его теории, которая сег одня стала общепринятой, положительно заряженные частицы сосредоточен ы в тяжелом центре атома, а отрицательно заряженные (электроны) находятс я на орбите ядра, на довольно большом расстоянии от него. Эта модель, подоб на крошечной модели Солнечной системы, подразумевает, что атомы состоят главным образом из пустого пространства. Широкое признание теорий Резе рфорда началось с 1913 г., когда к работ е ученого в Манчестерском университете подключился датский физик Ниль с Бор. Бор показал, что в терминах предлагаемой Резерфордом структуры мо гут быть объяснены общеизвестные физические свойства атома водорода, а также атомов нескольких более тяжелых элементов. Когда разразилась первая мировая война, Резерфорд был назначен членом г ражданского комитета Управления изобретений и исследований британско го Адмиралтейства и изучал проблему определения местонахождения подво дных лодок с помощью акустики. После войны он вернулся в манчестерскую л абораторию и в 1919 г. сделал еще одно ф ундаментальное открытие. Изучая структуру атомов водорода с помощью бо мбардировки их альфа-частицами, обладающими высокой скоростью, он замет ил на своем детекторе сигнал, который можно было объяснить как результат того, что ядро атома водорода пришло в движение вследствие столкновения с альфа частицей. Однако точно такой же сигнал появлялся и когда ученый з аменил атомы водорода атомами азота. Резерфорд объяснил причину этого я вления тем, что бомбардировка вызывает распад устойчивого атома. Т.е. в пр оцессе, аналогичном естественно происходящему распаду, который вызыва ется радиацией, альфа частица выбивает единственный протон (ядро атома в одорода) из устойчивого при нормальных условиях ядра атома азота и прида ет ему чудовищную скорость. Еще одно свидетельство в пользу такого толко вания этого явления было получено в 1934 г ., когда Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри открыли искусственную радио активность. В 1919 г. Резерфорд перешел в Кембриджс кий университет, став преемником Томсона в качестве профессора экспери ментальной физики и директора Кавендишской лаборатории, а в 1921 занял долж ность профессора естественных наук в Королевском институте в Лондоне. В 1930 г. Резерфорд был назначен председ ателем правительственного консультативного совета Управления научны х и промышленных исследований. Находясь на вершине своей карьеры, ученый привлекал к работе в своей лаборатории в Кембридже много талантливых мо лодых физиков, в т.ч. П.М. Блэкетта, Джона Кокрофта, Джеймса Чедвика и Эрнест а Уолтона. Несмотря на то, что у самого Резерфорда оставалось из-за этого м еньше времени на активную исследовательскую работу, его глубокая заинт ересованность в проводимых исследованиях и четкое руководство помогал и поддерживать работ, осуществляемых в его лаборатории. Ученики и коллеги вспоминали об ученом как о милом, добром человеке. Наря ду с присущим ему как теоретику даром предвидения Резерфорд обладал пра ктической жилкой. Именно благодаря ней он был всегда точен в объяснении наблюдаемых явлений, какими бы необычными они на первый взгляд ни казали сь. Обеспокоенный политикой, проводимой нацистским правительством Адольф а Гитлера, Резерфорд в 1933 г. стал през идентом Академического совета помощи, который был создан для оказания с одействия тем, кто бежал из Германии. В 1900 г., во время краткой поездки в Новую Зеландию, Резерфорд женился на М эри Ньютон, которая родила ему дочь. Почти до конца жизни он отличался кре пким здоровьем и умер в Кембридже в 1937 г . после непродолжительной болезни. Резерфорд похоронен в Вестминсте рском аббатстве неподалеку от могил Исаака Ньютона и Чарльза Дарвина. В числе полученных Резерфордом наград медаль Румфорда (1904) и медаль Копли (1922) Лондонского королевского общества, а также британский орден «За засл уги» (1925). В 1931 г. ученому был пожалован титул пэра. Резерфорд был удостоен почетных степеней Новозеландского, К ембриджского, Висконсинского, Пенсильванского и Макгиллского универси тетов. Он являлся членом-корреспондентом Геттингенского королевского общества, а также членом Новозеландского философского института, Амери канского философского общества. Академии наук Сент-Луи, Лондонского кор олевского общества и Британской ассоциации содействия развитию науки.