Резерфорд Эрнест: биография, открытия и интересные факты

Эрнест Резерфорд (фото размещено далее в статье), барон Резерфорд Нельсона и Кембриджа (родился 30.08.1871 в Спринг-Груве, Новая Зеландия — умер 19.10.1937 в Кембридже, Англия) – британский физик родом из Новой Зеландии, которого считают самым великим экспериментатором со времен Майкла Фарадея (1791-1867). Он был центральной фигурой в области изучения радиоактивности, а его концепция строения атома доминировала в ядерной физике. Стал лауреатом Нобелевской премии в 1908 году, был президентом Королевского общества (1925–1930) и Британской ассоциации содействия развитию науки (1923). В 1925 году был принят в члены Ордена заслуг и в 1931 году был удостоен звания пэра, получил титул лорда Нельсона.

Эрнест Резерфорд: краткая биография в ранние годы жизни

Отец Эрнеста Джеймс в середине XIX века ребенком переехал из Шотландии в Новую Зеландию, лишь недавно заселенную европейцами, где занимался сельским хозяйством. Мать Резерфорда - Марта Томпсон - приехала из Англии в подростковом возрасте и работала школьной учительницей, пока не вышла замуж и не родила десятерых детей, из которых Эрнест был четвертым (и вторым сыном).

Эрнест учился в бесплатных государственных учебных заведениях до 1886 г., когда он выиграл стипендию для учебы в частной средней школе Нельсона. Одаренный ученик преуспел почти в каждом предмете, но особенно в математике. Другая стипендия помогла Резерфорду поступить в 1890 году в Кентербери-колледж, один из четырех кампусов университета Новой Зеландии. Это было небольшое учебное заведение, в штате составе которого числилось всего восемь преподавателей, студентов же было менее 300. Юному дарованию посчастливилось иметь прекрасных учителей, которые разожгли в нем интерес к научным исследованиям, подкрепленным надежными доказательствами.

По завершении трехлетнего учебного курса Эрнест Резерфорд стал бакалавром и выиграл стипендию для года учебы в аспирантуре в Кентербери. Завершив ее в конце 1893 года, он получил степень магистра искусств – первую ученую степень в области физики, математики и математической физики. Ему было предложено остаться еще на один год в Крайстчерче для проведения независимых экспериментов. Исследование Резерфорда способности высокочастотного электрического разряда, например, от конденсатора, намагничивать железо в конце 1894 года принесло ему степень бакалавра наук. В этот период он полюбил Мэри Ньютон, дочь женщины, в чьем доме он поселился. Они поженились в 1900 г. В 1895-м Резерфорд получил стипендию имени Всемирной выставки 1851 г. в Лондоне. Он решил продолжать свои исследования в Кавендишской лаборатории, которую Дж. Дж. Томсон, ведущий европейский эксперт в области электромагнитного излучения, возглавил в 1884 г.

Кембридж

В знак признания растущей важности науки Кембриджский университет изменил свои правила, позволив выпускникам других вузов получать диплом после двух лет обучения и выполнения приемлемой научной работы. Первым студентом-исследователем стал Резерфорд. Эрнест, кроме демонстрации намагничивания колебательным разрядом железа, установил, что игла теряет часть своей намагниченности в магнитном поле, создаваемом переменным током. Это позволило создать детектор недавно открытых электромагнитных волн. В 1864 г. шотландский физик-теоретик Джеймс Клерк Максвелл предсказал их существование, а в 1885–1889 гг. немецкий физик Генрих Герц обнаружил их в своей лаборатории. Прибор Резерфорда для детекции радиоволн был проще и имел коммерческий потенциал. Следующий год молодой ученый провел в Кавендишской лаборатории, увеличивая диапазон и чувствительность прибора, который мог принимать сигналы на расстоянии полумили. Однако Резерфорду не хватило межконтинентального видения и предпринимательских навыков итальянца Гульельмо Маркони, который изобрел беспроводной телеграф в 1896 г.

Исследования ионизации

Рентгеновские лучи были открыты в Германии Вильгельмом Конрадом Рентгеном лишь через несколько месяцев после появления Резерфорда в Кавендише. Способность производить снимки костей живого человека всех очень интересовала. Ученые хотели больше узнать о свойствах чудо-лучей и о том, что они собой представляют, в числе таких любопытных оказался и Резерфорд. Эрнест не мог отказаться от почетного приглашения Томсона поучаствовать в исследовании того, как рентгеновские лучи изменяют проводимость газов. Результатом стала классическая работа об ионизации – разделении атомов или молекул на положительные и отрицательные части (ионы) и притяжении заряженных частиц к электродам противоположной полярности.

Исследования радиации

Затем Томсон начал изучать отношение заряда к массе наиболее распространенного иона, который в дальнейшем получил название электрона, в то время как Резерфорд изучал другие виды излучения, которое производило ионы. Он обратился к ультрафиолету, а затем к излучению, испускаемому ураном, которое впервые было обнаружено в 1896 г. французским физиком Анри Беккерелем. Размещение урана около тонкой фольги позволило Резерфорду понять, что радиация более сложна, чем считалось ранее: один ее вид легко поглощался или блокировался очень тонким слоем металла, но другой часто проникал сквозь него. Для простоты он назвал эти типы излучения "альфа" и "бета" соответственно. Позднее было установлено, что α-частицы соответствуют ядру атома гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов, а β-частицы – это электрон или его положительный вариант позитрон. В течение последующих нескольких лет изучение этого излучения представляло основной интерес, а затем внимание науки переключилось на радиоактивные элементы.

Университет Макгилла

Как же дальше складывалась жизнь и карьера такого ученого, как Эрнест Резерфорд? Биография физика гласит, что вскоре ему была предложена должность профессора в канадском университете Макгилла в Монреале, который мог похвалиться одной из наиболее оснащенных лабораторий в Западном полушарии. Обратив свое внимание на один из нескольких известных тогда радиоактивных элементов, он и его коллега обнаружили, что торий выделяет газообразный продукт, который ученый назвал «эманацией». Он, в свою очередь, оставлял твердые отложения, которые вскоре были преобразованы в торий А, B, C и т. д. Любопытно, что после химической обработки некоторые вещества теряли свои радиоактивные свойства, но в итоге восстанавливали их, в то время как другие материалы, изначально сильные, постепенно теряли активность. Это привело к концепции полураспада – интервала времени, необходимого для распада половины атомных ядер образца, находящегося в диапазоне от нескольких секунд до миллиардов лет, уникального для каждого радиоактивного элемента и, следовательно, являющегося отличным средством их идентификации.

Теория превращений

Резерфорду потребовалась помощь эксперта-химика, чтобы справиться с ростом числа радиоактивных элементов. Он привлек Фредерика Содди из Макгилла, Бертрама Бордена Болтвуда, профессора Йельского университета, и Отто Гана, научного сотрудника из Германии. С Содди в 1902–1903 гг. он разработал теорию преобразований, объясняющую явление радиоактивности. Алхимия с ее попытками превращения свинца в золото давно была изгнана из современной химии. Атомы считались стабильными. Но Резерфорд и Содди утверждали, что энергия радиоактивности исходит из них, и спонтанное испускание α- или β-частиц означает химическое превращение одного элемента в другой. Они ожидали, что эта иконоборческая теория будет опровергаться, но авторитет множества экспериментальных доказательств подавил оппозицию.

Вскоре было установлено, что радиоактивные элементы делятся на три ряда, возглавляемые ураном, торием и актинием, и все они ведут к образованию неактивного свинца. Болтвуд поместил радий в группу урана и, следуя совету Резерфорда, использовал медленно растущее количество свинца в минерале, чтобы показать, что возраст пород исчисляется миллиардами лет. Последний считал, что альфа-частица, обладающая ощутимой массой, играет ключевую роль в преобразовании элементов. Он определил, что она несет положительный заряд, но не смог установить, является ли она ионом водорода или гелия.

Женатый и знаменитый

В Макгилле Эрнест Резерфорд (фото приведено в статье) женился на своей возлюбленной из Новой Зеландии и стал знаменитым. В свою лабораторию он приглашал много студентов-исследователей, в том числе женщин, когда очень мало представительниц слабого пола занималось наукой. Физик Эрнест Резерфорд был популярным лектором и автором газетных и журнальных статей. В 1904 г. он также написал ведущий учебник по радиоактивности. Его ожидали награды, членство в Королевском обществе Лондона и неизбежные предложения сотрудничества.

Университет Манчестера

В Северной Америке было хорошее научное сообщество, но мировой центр физики находился в Европе. Эрнест Резерфорд, Нобелевская премия по химии которому за его работу в Монреале была присуждена в 1908 г., годом ранее устроился на кафедру университета Манчестера, чья лаборатория уступала только Кавендишской.

Совместно с немецким физиком Гансом Гейгером Эрнест Резерфорд создал электрический счетчик ионизированных частиц. Усовершенствованный Гейгером, счетчик стал универсальным инструментом для измерения радиоактивности. Благодаря мастерству стеклодува Резерфорд и его ученик Томас Ройдс выделили некоторые α-частицы и выполнили их спектрохимический анализ, который доказал, что они являются ионами гелия. Затем Болтвуд посетил лабораторию университета Манчестера, и вместе с новозеландским физиком они уточнили скорость образования гелия из радия, из которой они вычислили точное значение числа Авогадро.

Не оставляя своего давнего увлечения альфа-частицами, Резерфорд изучал их небольшое рассеяние после взаимодействия с фольгой. Гейгер присоединился к нему, и они получили больше значимых данных. В 1909 г., когда студент-старшекурсник Эрнест Марсден искал тему для своего научно-исследовательского проекта, Эрнест предложил ему изучить большие углы рассеяния. Марсден обнаружил, что небольшое число α-частиц отклонялось более чем на 90° от своего первоначального направления, что вынудило Резерфорда воскликнуть, что это почти так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд, запущенный в лист папиросной бумаги, отскочил бы обратно и попал в стрелявшего.

Модель атома

Размышляя над тем, как такая тяжелая заряженная частица может отклоняться электростатическим притяжением или отталкиванием на такой большой угол, в 1944 г. Резерфорд пришел к выводу, что атом не может являться однородным твердым телом. По его мнению, он состоял в основном из пустого пространства и крошечного ядра, в котором сконцентрирована вся его масса. Резерфорд Эрнест модель атома подтвердил многочисленными экспериментальными доказательствами. Она стала его наибольшим научным вкладом, но за пределами Манчестера на нее обращали мало внимания. В 1913 г., однако, датский физик Нильс Бор показал всю важность этого открытия. Годом ранее он посетил лабораторию Резерфорда и вернулся в нее в качестве сотрудника факультета в 1914–1916 гг. Радиоактивность, как объяснил он, заключена в ядре, в то время как химические свойства определяются орбитальными электронами. Модель атома Бора породила новую концепцию квантов (или дискретных значений энергии) в электродинамике орбит, и он объяснил спектральные линии как выделение или поглощение энергии электронами при их переходе из одной орбиты на другую. Генри Мозли, еще один из многих учеников Резерфорда, аналогичным образом объяснил последовательность рентгеновского спектра элементов зарядом ядра. Таким образом была разработана новая согласованная картина физики атома.

Подлодки и ядерная реакция

Первая мировая война опустошила лабораторию, которой руководил Эрнест Резерфорд. Интересные факты из жизни физика в этот период касаются его участия в разработке средств борьбы с подводными лодками, а также членства в Совете адмиралтейства по изобретениям и научным исследованиям. Когда он нашел время, чтобы вернуться к своим предыдущим научным работам, то занялся изучением столкновения альфа-частиц с газами. В случае водорода, как и ожидалось, детектор фиксировал образование отдельных протонов. Но протоны возникали и при бомбардировке атомов азота. В 1919 г. Эрнест Резерфорд открытия пополнил еще одним: ему удалось искусственно спровоцировать ядерную реакцию в стабильном элементе.

Возвращение в Кембридж

Ядерные реакции занимали ученого на протяжении всей карьеры, которая проходила снова в Кембридже, где в 1919 г. преемником Томсона на посту директора Кавендишской лаборатории университета и стал Резерфорд. Эрнест привел сюда своего коллегу по университету Манчестера - физика Джеймса Чедвика. Вместе они бомбардировали альфа-частицами ряд легких элементов и вызывали ядерные превращения. Но им не удавалось проникнуть в более тяжелые ядра, поскольку α-частицы отталкивались от них из-за одинакового заряда, и ученые не могли определить, происходило это раздельно или вместе с мишенью. В обоих случаях требовалась более передовая технология.

Более высокие энергии в ускорителях частиц, необходимые для решения первой проблемы, стали доступны в конце 1920-х годов. В 1932 г. два студента Резерфорда - англичанин Джон Кокрофт и ирландец Эрнест Уолтон - стали первыми, кто фактически вызвал ядерное превращение. С помощью высоковольтного линейного ускорителя они бомбардировали литий протонами и расщепили его на две α-частицы. За эту работу они получили Нобелевскую премию 1951 г. по физике. Шотландец Чарльз Вильсон в Кавендише создал туманную камеру, которая давала визуальное подтверждение траектории заряженных частиц, за что был удостоен этой же престижной международной награды в 1927 г. В 1924-м английский физик Патрик Блэкетт модифицировал камеру Вильсона, чтобы сфотографировать около 400 000 альфа-столкновений и обнаружил, что большинство из них были обычными упругими, а 8 сопровождались распадом, в котором α-частица поглощалась ядром-мишенью перед его расщеплением на два фрагмента. Это стало важным шагом в понимании ядерных реакций, за что Блэкетту была присвоена Нобелевская премия по физике 1948 года.

Открытие нейтрона и термоядерного синтеза

Кавендиш стал местом проведения и других интересных работ. Существование нейтрона было предсказано Резерфордом в 1920 году. После долгих поисков, в 1932 году Чедвик обнаружил эту нейтральную частицу, доказав, что ядро состоит из нейтронов и протонов, а его коллега, английский физик Норман Федер, вскоре показал, что нейтроны могут вызывать ядерные реакции легче, чем заряженные частицы. Работая с подаренной недавно открытой в США тяжелой водой, в 1934 г. Резерфорд, Марк Олифант из Австралии и Пауль Хартек из Австрии провели бомбардировку дейтерия дейтронами и провели первый термоядерный синтез.

Жизнь вне физики

Ученый имел несколько увлечений, не касающихся науки, в число которых входили гольф и автоспорт. Эрнест Резерфорд, кратко говоря, придерживался либеральных убеждений, но не был политически активным, хотя и занимал должность председателя экспертного совета правительственного Департамента научных и промышленных исследований и являлся пожизненным президентом (с 1933 г.) организации Academic Assistance Council, созданной для помощи ученым, бежавшим из нацистской Германии. В 1931 г. он стал пэром, но это событие было омрачено смертью его дочери, скончавшейся восемью днями раньше. Выдающийся ученый умер в Кембридже после непродолжительной болезни и был похоронен в Вестминстерском аббатстве.

Эрнест Резерфорд: интересные факты

• Он учился в Кентерберийском колледже университета Новой Зеландии на стипендию, получив степень бакалавра и магистра, а также два года занимался разработками, которые привели к изобретению нового вида радиоприемника.
• Эрнест Резерфорд был первым выпускником, не окончившим Кэмбридж, которому было разрешено вести научно-исследовательскую работу в Кавендишской лаборатории под руководством сэра Дж. Дж. Томсона.
• Во время Первой мировой войны он работал над решением практических проблем обнаружения подводных лодок.
• В университете Макгилла в Канаде Эрнест Резерфорд вместе с химиком Фредериком Содди создал теорию атомного распада.
• В университете Виктории в Манчестере он и Томас Ройдс доказали, что альфа-излучение состоит из ионов гелия.
• Исследование Резерфорда по распаду элементов и радиоактивных веществ принесли ему Нобелевскую премию в 1908 году.
• Свой самый известный эксперимент Гейгера - Марсдена, который продемонстрировал ядерную природу атома, физик провел уже после получения награды Шведской академии.
• В его честь назван 104-й химический элемент - резерфордий, который в СССР и РФ до 1997 г. именовался курчатовием.