Инфекции
Эрнест резерфорд краткая биография. Эрнест по прозвищу «Крокодил

Эрнест резерфорд краткая биография. Эрнест по прозвищу «Крокодил

В чем Резерфорд превзошел Эйнштейна и в чем уступил Маркони, какие мегагранты были в Англии XIX века, какие потери великий ученый понес на Первой мировой войне и за что его называли Крокодилом и кроликом, сайт рассказывает в очередном выпуске рубрики «Как получить Нобелевку».

Памятник Резерфорду-ребенку в Новой Зеландии

Wikimedia Commons

Эрнест Резерфорд

Нобелевская премия по химии 1908 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».

Когда пишешь статью о нобелевском лауреате, существует 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 сегодняшний 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 году «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 будущего советского нобелевского лауреата и своего ученика Петра Капицы - Крокодил.

Юный Эрнест Резерфорд

Wikimedia Commons

Резерфорда можно считать счастливцем. Родившись дальше, чем в провинции, не в Девоншире каком-нибудь, не в Эдинбурге, не в Сиднее и даже не в Веллингтоне, а в новозеландской провинции, в фермерской семье, он сумел пробиться. Однако стипендию имени Всемирной выставки 1851 года для одаренных провинциалов наш герой получил лишь тогда, когда тот, кому ее присудили ранее, отказался.

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. Денег на то, чтобы разрабатывать детектор, ему не дали: все свои средства почта Британии поставила на Маркони, который получит Нобелевскую премию через год после Резерфорда. И новозеландец записался в Кавендишскую лабораторию при Кембридже.

Мало кто знает, что знаменитая Кавендишская лаборатория названа по имени не химика Генри Кавендиша (который был 2-м герцогом Девонширским), а его родственника, 7-го герцога Девонширского, Уильяма Кавендиша, канцлера Кембриджа, который пожертвовал денег на открытие лаборатории. Такой вот английский мегагрант. Между прочим, весьма успешный: на настоящий момент 29 сотрудников этого проекта получили Нобелевские премии (включая нашего Капицу).

Уильям Кавендиш, 7-й герцог Девонширский

Wikimedia Commons

Резерфорд стал докторантом у самого , первооткрывателя электрона (Томсон - лауреат «физического нобеля» 1906 года, но не за электрон, а за исследования прохождения токов в газах). И поучаствовал в нобелевских работах своего научного руководителя. А 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 Томсоном он изучал ионизацию газов рентгеновским излучением. В 1898 году он выделил из радиоактивного излучения «альфа-лучи» и «бета-лучи». Сейчас мы знаем, что это ядра гелия и электроны. Кстати, химической природе альфа-лучей посвящена Нобелевская лекция Резерфорда.

Эккспериментальная установка по разделению радиоактивного излучения на альфа-, бета- и гамма-составляющие

Wikimedia Commons

В 1901-1903 годах вместе с будущим нобелиатом по химии 1921 года, Фредериком Содди, Резерфорд открыл естественные превращения элементов при радиоактивном распаде (за это наш герой и получил «Нобеля», так что все законно, ведь химия - это наука о превращении веществ друг в друга). При этом была открыта «эманация тория», газообразный радон-220, и сформулирован закон радиоактивного распада.

Фредерик Содди

Ганс Гейгер и Эрнест Резерфорд

Wikimedia Commons

Но самый известный свой эксперимент он (точнее, его ученики Гейгер и Мардсен) провел в 1909 году. Исследование прохождения альфа-частиц сквозь золотую фольгу абсолютно неожиданно для всех показало, что некоторые ядра гелия отбрасываются обратно. «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, а модель Томсона, которая называлась «пудинг с изюмом», была отброшена.

Как проходили бы альфа-частицы через атомы Томсона (ожидаемый результат эксперимента) и какие результаты наблюдались в реальности

Wikimedia Commons

Предложить такую модель было совершенным безумием. Потом выяснилось, что о планетарной модели атома задумывался, например, Эйнштейн, но не решился ее разрабатывать, ведь всем ясно, что рано или поздно электроны должны падать на ядро.

Во время Первой мировой войны Резерфорд работал над детектированием вражеских подлодок (он служил офицером связи). Война же нанесла нашему герою и страшный удар: на фронте погиб талантливейший его ученик - Генри Мозли.

Генри Мозли

Wikimedia Commons

В 1917 году Резерфорд 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 году Резерфорд предсказал существование нейтрона (его потом открыл ученик Резерфорда Чедвик).

Сэр Джеймс Чедвик

Wikimedia Commons

Во время войны Резерфорд стал и дворянином. Несмотря на то, что удар мечом Резерфорд получил от короля в 1914 году, бароном Резерфордом Нельсоном он официально стал только в 1931-м, с утверждением соответствующего герба. На гербе - птица киви, символ 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».

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 г. в деревне Спринг Гроув (известной также под названием Брайтуотер) близ г. Нельсона, Новая Зеландия, в семье фермера Джеймса Резерфорда и его жены Марты Томсон (уроженки г. Хорнчёрч, графство Эссекс, Англия).

При рождении, Эрнеста, по ошибке, записали под именем Ёрнест (от англ. “earnest” – «серьёзный»). В детстве Эрнест ходит в школу г. Хэвлок, по окончании которой продолжает учёбу в колледже в г. Нельсоне. Он усердно трудится, чтобы поступить в Кентерберийский колледж, бывший подразделением Университета Новой Зеландии. В колледже Эрнест Резерфорд становится главой дискуссионного клуба и принимает активное участие в студенческой жизни.

В Кентерберийском колледже Резерфорд получает высшее образование, защищая звания бакалавра и магистра в области гуманитарных наук, а также бакалавра естественных наук, после чего, на протяжении двух лет, увлечённо занимается исследованиями в области электротехники. В 1895 г. он отправляется в Англию для повышения уровня образования, где с 1895 г. по 1898 г. трудится в Кавендишской лаборатории при Кембриджском университете. Он совершает значительный прорыв (и некоторое время держит рекорд) в обнаружении расстояния, которое определяет длину электромагнитной волны.

Труды, исследования и вклад в науку

В 1898 г. Резерфорд меняет Хью Лонгборна Каллендара на должности профессора физики, основанной благодаря покровительству Уильяма МакДональда, в Университете МакГилла. Именно здесь Резерфорд достигнет высот своей исследовательской деятельности. Его работа в Университете МакГилла увенчается получением в 1908 г. Нобелевской премии в области химии.

Резерфорд занимается глубинными исследованиями и практическим изучением явления радиоактивности. В этот период, в 1899 г., он вводит понятия альфа- и бета-частиц. Этот тип радиационного излучения учёный описывает как два отчётливых (легко различаемых) вида излучения потока частиц элементами торием и ураном. Основываясь на их проникающей способности, Резерфорд чётко излагает различия этих радиационных лучей.

В 1900 г. в Университете Новой Зеландии он получает степень доктора наук. С 1900 г. по 1903 г. к исследовательскому проекту Резерфорда на тему трансмутации элементов в Университете МакГилла присоединяется юный исследователь Фредерик Содди.

Резерфорд открывает и точно описывает, что радиация является следствием спонтанного разложения атомов. Учёный в мельчайших подробностях наблюдает, а в последствие и описывает, что образцу радиоактивного материала требуется определенное время для уменьшения его радиоактивности в 2 раза. Это время Резерфорд называет «периодом полураспада».

Это открытие в дальнейшем получит практическое применение: взяв за единицу измерения равномерную скорость распада вещества, будет определён возраста планеты Земля, оказавшейся намного старше, чем возраст, предполагаемый учёными того времени.

В 1903 г. Резерфорд обнаруживает, что радиация (уже открытая), излучаемая ещё безымянным радием (открытым в 1900 г. французским химиком Полом Виллардом) обладает отличительной чертой (от альфа- и бета-излучений), не описанной прежде. Он также замечает, что новый вид излучения обладает большой проникающей способность, и, не теряя времени, даёт ему самостоятельное название «гамма-излучение». В 1907 г. Резерфорда назначают на должность профессора физики Манчестерского университета. В Манчестере учёный продолжает работать с альфа-излучением. Совместно с Гансом Гейгером, он разрабатывает цинк-сульфидный отражающий экран и ионизационную камеру, предназначенную для подсчёта количества альфа-частиц.

В 1907 г. Резерфорд, вместе с Томасом Ройдсом, проводит химический опыт, заключающийся в прохождении альфа-лучей через узкое окно в вакуумную трубку. Лучи неизменно порождают в трубке искровой разряд, в результате чего образовывается спектр, меняющий свою природу аналогично альфа-лучам, накопившимся в трубке. Далее эксперимент показывает, как начинает образовываться чистый спектр газа гелия. Из этого следует, что альфа-лучи почти не ионизируют атомы, а точнее – ядра атомов, гелия.

В 1909 г. объединяет усилия с Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом и проводит опыт Гейгера-Марсдена, нацеленный на обнаружение и наглядную демонстрацию истинной ядерной природы атомов. Эксперимент проводится для получения чётко сформулированных результатов относительно свойств альфа-частиц. Резерфорд предлагает Гейгеру и Марсдену получить отклонение альфа-частиц на большие углы (предрешённых результатов опыта не было, поскольку, на момент его проведения, не существовало ни малейших теорий на этот счёт). Искомые отклонения были найдены, но носили единичный характер и ровную, чётко-организованную функцию угла отклонения. Истолкование и результаты этого эксперимента в 1911 г. выливаются в представление модели атома Резерфорда. Согласно его теории, даже маленькое положительно заряженное ядро имеет вращающиеся вокруг него электроны. В 1919 г. Резерфорд отправляется в Кавендишскую лабораторию, где проводит (первым в истории) опыт по трансмутации одного вещества в другое, превратив с помощью ядерной реакции азот в кислород. Этот опыт он осуществляет совместно с Нильсом Бором, выдвигая при этом теорию о существовании нейтронов и об их предположительном свойстве возмещать отталкивающее свойство положительно заряженных протонов, порождая силу ядерного притяжения, удерживающую ядро от распада.

В 1932 г. эту теорию существования нейтронов доказывает Джеймс Чедвик, получивший в 1935 г. Нобелевскую премию в области физики за это открытие.

Личная жизнь

В 1900 г. Резерфорд женится на Марии Георгине Ньютон. У них рождается дочь, Эйлин Мария.

Награды и почести

В 1908 г. Резерфорд получает Нобелевскую премию за революционные открытия и успешные исследования процесса распада веществ и следующих из него химических свойств радиоактивных веществ. В 1914 г. Резерфорда посвящают в рыцари. В 1916 г. учёного награждают медалью имени сэра Джеймса Гектора. В 1919 г. Резерфорд возвращается в Кавендишскую лабораторию при Кембриджском университете, где его назначают на пост руководителя лаборатории. В это время он становится научным наставником ряда исследователей – Джеймса Чедвика, Джона Дугласа Коккрофта, Эдварда Виктора Эпплтона и Томаса Синтона Уолтона, каждый из которых получил Нобелевскую премию за работы в области атомных реакций, открытия нейтрона, наглядных демонстраций и химических опытов по вопросам элементарных частиц и ионосферы. В 1925 г. Резерфорда награждают почётным орденом «За заслуги» перед Великобританией. В 1931 г. он получает почётный титул барона Резерфорда Нельсонского и Кембриджского в графстве Кембридж.

После смерти, Резерфорда удостаивают чести быть похороненным в Вестминстерском аббатстве, рядом с Дж. Дж. Томсоном и сэром Исааком Ньютоном.

Смерть

Эрнест Резерфорд страдал пупочной грыжей, и оперировать его, в знак особой чести (как носителю британского ордена «За заслуги»), надлежало только титулованному хирургу. Из-за долгих поисков подходящей кандидатуры, время было упущено, и 19 октября 1937 г. в больнице Резерфорд внезапно скончался.

Оценка по биографии

Новая функция! Средняя оценка, которую получила эта биография. Показать оценку

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

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.

Первая страница статьи Э. Резерфорда в журнале Philosophical Magazine, 6, 21 (1911), в которой впервые водится понятие «атомное ядро».

Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир - субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики.

1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро.

В июньском 1911 г. номере журнала «Philosophical Magazine» была опубликована работа Э. Резерфорда «Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома», в которой впервые было введено понятие «атомное ядро» .
Э.Резерфорд проанализировал результаты работы Г. Гейгера и Э.Марсдена по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге, в которой совершенно неожиданно было обнаружено, что небольшое число α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Этот результат противоречил господствовавшей в то время модели атома Дж. Дж. Томсона, согласно которой атом состоял из отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества равномерно распределенного внутри сферы радиуса R ≈ 10 - 8 см. Для объяснения результатов, полученных Гейгером и Марсденом, Резерфорд разработал модель рассеяния точечного электрического заряда другим точечным зарядом на основе закона Кулона и законов движения Ньютона и получил зависимость вероятности рассеяния α-частиц на угол θ от энергии E налетающей α-частицы

Измеренное Гейгером и Марсденом угловое распределение α-частиц можно было объяснить только в том случае, если предположить, что атом имеет центральный заряд, распределенный в области размером <10 -12 см. Результирующий заряд ядра приблизительно равен Ae/2, где A - вес атома в атомных единицах массы, e - фундаментальная единица заряда. Точность определения величины заряда ядра золота составила ≈ 20%. Так возникла планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален - положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда ядра Z.

В 1910 г. к Резерфорду в лабораторию приехал работать молодой ученый по имени Марсден. Он попросил Резерфорда дать ему какую-нибудь очень простую задачу. Резерфорд поручил ему считать α-частицы, проходящие через материю, и найти их рассеяние. При этом Резерфорд заметил, что по его мнению Марсден ничего заметного не обнаружит. Свои соображения Резерфорд основывал на принятой в то время модели атома Томсона. В соответствии с этой моделью атом представлялся сферой размером 10 -8 см с равнораспределенным положительным зарядом, в которую были вкраплены электроны. Гармонические колебания последних определяли спектры лучеиспускания. Легко показать, что α-частицы должны были легко проходить через такую сферу, и особенного рассеяния их нельзя было ожидать. Всю энергию на пути своего пробега α-частицы тратили на то, чтобы выбрасывать электроны, которые ионизировали окружающие атомы.
Марсден под руководством Гейгера стал делать свои наблюдения и скоро заметил, что большинство α-частиц проходит через материю, но все же существует заметное рассеяние, а некоторые частицы как бы отскакивают назад. Когда это узнал Резерфорд, он сказал:
— Это невозможно. Это так же невозможно, как для пули невозможно отскочить от бумаги.
Эта фраза показывает, как конкретно и образно он видел явление.
Марсден и Гейгер опубликовали свою работу, а Резерфорд сразу решил, что существующее представление об атоме неправильно и его надо в корне пересмотреть.
Изучая закон распределения отразившихся α-частиц, Резерфорд постарался определить, какое распределение поля внутри атома необходимо, чтобы определить закон рассеивания, при котором α-частицы могут даже возвращаться обратно. Он пришел к выводу, что это возможно тогда, когда весь заряд сосредоточен не по всему объему атома, а в центре. Размер этого центра, названного им ядром, очень мал: 10 -12 —10 -13 см в диаметре. Но куда же тогда поместить электроны? Резерфорд решил, что отрицательно заряженные электроны надо распределить кругом — они могут удерживаться благодаря вращению, центробежная сила которого уравновешивает силу притяжения положительного заряда ядра. Следовательно, модель атома есть не что иное, как некая солнечная система, состоящая из ядра — солнца и электронов — планет. Так он создал свою модель атома.
Эта модель встретила полное недоумение, так как она противоречила некоторым тогдашним, казавшимся незыблемыми, основам физики .

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1909-1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена

Г. Гейгер и Э. Марсден увидели, что при прохождении через тонкую фольгу из золота большинство α-частиц, как и ожидалось, пролетает без отклонения, но неожиданно было обнаружено, что часть α-частиц отклоняется на очень большие углы. Некоторые α-частицы рассеивались даже в обратном направлении. Расчеты напряженности электрического поля атомов в моделях Томсона и Резерфорда показывают существенное различие этих моделей. Напряжённость поля положительного заряда распределенного по поверхности атома в случае модели Томсона ~10 13 В/м. В модели Резерфорда положительный заряд, находящийся в центре атома в области R < 10 -12 см создаёт напряженности поля на 8 порядков больше. Только такое сильное электрического поле массивного заряженного тела может отклонить α-частицы на большие углы, в то время как в слабом электрическом поле модели Томсона это было невозможно.

Э. Резерфорд, 1911 г. «Хорошо известно, что α- и β-частицы при столкновении с атомами вещества испытывают отклонение от прямолинейного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у β-частиц нежели у α-частиц, т.к. они обладают значительно меньшими импульсами и энергиями. Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка α- или β-лучей при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества. Однако наблюдения проведенные Гейгером и Марсденом показали, что некоторое количество α-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол больше 90°. Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении создавалось столь большое отклонение».

1911 г. Э. Резерфорд. Атомное ядро

α + 197 Au → α + 197 Au

Эрнест Резерфорд
(1891-1937)

Исходя из планетарной модели атома, Резерфорд вывел формулу описывающую рассеяние α-частиц на тонкой фольге из золота, согласующуюся с результатами Гейгера и Марсдена. Резерфорд предполагал, что α-частицы и атомные ядра с которыми они взаимодействуют можно рассматривать как точечные массы и заряды и что между положительно заряженными ядрами и α-частицами действуют только электростатические силы отталкивания и что ядро настолько тяжелое по сравнению с α-частицей, что оно не смещается в процессе взаимодействия. Электроны вращаются вокруг атомного ядра на характерных атомных масштабах ~10-8 см и из-за малой массы не влияют на рассеяние α-частиц.

Вначале Резерфорд получил зависимость угла рассеяния θ α-частицы с энергией E от величины прицельного параметра b столкновения с точечным массивным ядром. b − прицельный параметр − минимальное расстояние на которое α-частица подошла бы к ядру, если бы между ними не действовали силы отталкивания, θ − угол рассеяния α-частицы, Z 1 e − электрический заряд α-частицы, Z 2 e − электрический заряд ядра.
Затем Резерфорд рассчитал, какая доля пучка α-частиц с энергией E рассеивается на угол θ в зависимости от заряда ядра Z 2 e и заряда α-частицы Z 1 e. Так исходя из классических законов Ньютона и Кулона была получена знаменитая формула рассеяния Резерфорда. Основным при получении формулы было предположение, что в атоме находится массивный положительно заряженный центр, размеры которого R < 10 -12 см.

Э. Резерфорд, 1911 г.: «Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями. В то же время экспериментальные данные недостаточно точны, чтобы можно было отрицать возможности существования небольшой части положительного заряда в виде спутников, находящихся на некотором расстоянии от центра … Следует отметить, что найденное приближенное значение центрального заряда атома золота (100e) примерно совпадает с тем значением, который имел бы атом золота, состоящий из 49 атомов гелия, несущих каждый заряд 2e. Быть может, это лишь совпадение, но оно весьма заманчиво с точки зрения испускания радиоактивным веществом атомов гелия, несущих две единицы заряда».

Дж. Дж. Томсон и Э. Резерфорд

Э. Резерфорд, 1921 г.: «Представление о нуклеарном строении атома первоначально возникло из попыток объяснить рассеяние α-частиц на большие углы при прохождении через тонкие слои материи. Так как α частицы обладают большою массою и большою скоростью, то эти значительные отклонения были в высшей степени замечательны; они указывали на существование весьма интенсивных электрически! или магнитных полей внутри атомов. Чтобы объяснить эти результаты, необходимо было предположить, что атом состоит из заряженного массивного ядра, весьма малых размеров по сравнению с обычно принятой величиной диаметра атома. Это положительно заряженное ядро содержит большую часть массы атома и окружено на некотором расстоянии известным образом распределенными отрицательными электронами; число которых равняется общему положительному заряду ядра. При таких условиях вблизи ядра должно существовать весьма интенсивное электрическое поле и α-частицы, при встрече с отдельным атомом проходя вблизи от ядра, отклоняются на значительные углы. Допуская, что электрические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния в области, прилегающей к ядру, автор получил соотношение, связывающее число α-частиц, рассеянных на некоторый угол с зарядом ядра и энергией α-частицы.
Вопрос о том, является ли атомное число элемента действительной мерой его нуклеарного заряда, настолько важен, что для разрешения его должны быть применены все возможные методы. В настоящее время в кавендишевской лаборатории ведется несколько исследований с целью проверки точности этого соотношения. Два наиболее прямых метода основаны на изучения рассеяния быстрых α- и β-лучей. Первый метод применяется Chadwick"oм, пользующимся новыми приемами; последний - Crowthar"oм. Результаты, полученные до сих пор Chadwick"oм, вполне подтверждают тождество атомного числа с нуклеарным зарядом в пределах возможной точности эксперимента, которая у Chadwick"a составляет около 1%».

Несмотря на то, что комбинация двух протонов и двух нейтронов исключительно устойчивое образование, в настоящее время считается, что α-частицы не входит в состав ядра в качестве самостоятельного структурного образования. В случае α-радиоактивных элементов энергия связи α-частицы больше, чем энергия которую необходимо затратить на то, чтобы по отдельности удалить из ядра два протона и два нейтрона, поэтому α-частица может быть испущена из ядра, хотя она не присутствует в ядре как самостоятельное образование.
Предположение Резерфорда о том, что атомное ядро может состоять из какого-то количества атомов гелия или о положительно заряженных спутниках ядра, было вполне естественным объяснением открытой им α радиоактивности. Представления о том, что частицы могут рождаться в результате различных взаимодействий, в это время еще не существовало.
Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 г. и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило наше представление об окружающем мире. Обогатило науку новыми концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры материи.

Английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, ин. ч.-к. РАН (1922), поч.ч. АН СССР (1925). Дир. Кавендишской лаборатории (с 1919). Открыл (1899) альфа- и бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совм. с Ф. Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую исскуств. ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона. Ноб. пр. по химии (1908).

Эрнест Резерфорд считается величайшим физиком-экспериментатором двадцатого столетия. Он является центральной фигурой в наших познаниях в области радиоактивности, а также человеком, который положил начало ядерной физике. Помимо своего огромного теоретического значения его открытия получили широкий спектр применения, включая: ядерное оружие, атомные электростанции, радиоактивные исчисления и исследования радиации. Влияние трудов Резерфорда на мир огромно. Оно продолжает расти и, похоже, еще увеличится в будущем.

Резерфорд родился и вырос в Новой Зеландии. Там он поступил в Кентерберийский колледж и к двадцати трем годам получил три степени (бакалавра гуманитарных наук, бакалавра естественных наук, магистра гуманитарных наук). На следующий год ему присудили право на обучение в Кембриждском университете в Англии, где он провел три года как студент-исследователь под руководством Дж. Дж. Томсона, одного из ведущих ученых того времени. В двадцать семь лет Резерфорд стал профессором физики в университете Макджил в Канаде. Там он работал девять лет и в 1907 году вернулся в Англию, чтобы возглавить физический факультет Манчестерского университета. В 1919 году Резерфорд вернулся в Кембридж, на этот раз как директор Кавендишской лаборатории, и оставался на этом посту до конца жизни.

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским ученым Антуаном Анри Беккерелем, когда он проводил эксперименты с урановыми соединениями. Но вскоре Беккерель потерял интерес к этому предмету, и большая часть наших основных знаний в области радиоактивности происходит из широких исследований Резерфорда. (Мари и Пьер Кюри открыли еще два радиоактивных элемента - полоний и радий, но не сделали открытий фундаментального значения.)

Одно из первых открытий Резерфорда заключалось в том, что радиоактивное излучение урана состоит из двух различных компонентов, которые ученый назвал альфа- и бета-лучи. Позже он продемонстрировал природу каждого компонента (они состоят из быстродвижущихся частиц) и показал, что существует еще 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.

Ученые всегда предполагали, будто отдельные атомы неделимы и неизменяемы. Но Резерфорд (с помощью очень талантливого молодого помощника Фредерика Содди) смог пока зать, 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 еще 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, твердые, непроницаемые, как "крошечные бильярдные шары" - как ранее считали ученые, - были мягкими внутри! Все 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, ученый тщательно посчитал количество частиц, полетевших в каждом направлении. Затем путем 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 твердым из всех предметов - являлся в основном пустым пространством, значит, все, 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 ученые стали бы возражать против этого утверждения.