Эрне́ст Резерфо́рд ; 1-й барон Резерфорд Нельсонский ( англ. Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson ; 30 августа 1871 , Спринг-Грув, Новая Зеландия — 19 октября 1937 , Кембридж ) — британский физик новозеландского происхождения. Известен как отец ядерной физики . Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния альфа-частиц доказал существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него . На основе результатов опыта создал планетарную модель атома .

Член (1903) и президент (1925—1930) Лондонского королевского общества , иностранный член Парижской академии наук (1927; корреспондент с 1921) , иностранный член-корреспондент (1922) и почётный член (1925) Российской академии наук .

Биография

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года 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, эмигрировал из г. Перт (Шотландия). Мать — Марта Томпсон, родом из Хорнчёрча (графство Эссекс, Англия). В то 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 Крайстчерче . В те времена это был маленький университет со 150 студентами и всего 7 профессорами . Резерфорд увлёкся наукой и с первого дня начал исследовательскую работу .

Его магистерская работа, написанная в 1892 году, называлась «Намагничивание 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.

Окончив университет в 1894 году, Резерфорд в течение года работал 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 — Маклорен, 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, окончившие другие университеты, могли продолжать научную работу в лабораториях Кембриджа. Вместе с Резерфордом этой возможностью воспользовались, записавшись в Кавендишскую лабораторию, , 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 в англиканской церкви в Крайстчерче , а 30 марта 1901 года у пары родилась дочь — Эйлин Мэри (1901—1930), ставшая впоследствии женой астрофизика Ральфа Фаулера .

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 Томсоном Резерфорд открыл явление насыщения тока при ионизации газа .

В 1898 году Резерфорд открыл 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 начал исследование только что открытого явления радиоактивности урана и тория. Осенью Резерфорд по предложению Томсона, преодолев конкурс в 5 человек, занял должность профессора университета Макгилла в Монреале (Канада) с окладом 500 фунтов стерлингов или 2500 канадских долларов в год. В этом университете Резерфорд плодотворно сотрудничал с Фредериком Содди , в то время младшим лаборантом химического факультета, впоследствии (как и Резерфорд) нобелевским лауреатом по химии (1921). В 1903 году Резерфорд и Содди выдвинули и доказали революционную идею о преобразовании элементов в процессе радиоактивного распада. В 1905 г. в сентябре на год в Монреаль в лабораторию к Резерфорду приехал учиться Отто Ган , будущий нобелевский лауреат по химии из Германии.

Получив широкую известность благодаря своим работам в области радиоактивности, Резерфорд стал востребованным учёным и получил множество предложений работы в научно-исследовательских центрах различных стран мира. Весной 1907 года он покинул Канаду и начал профессорскую деятельность в университете Виктории 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».

Важным и радостным событием в жизни стало избрание учёного членом Лондонского королевского общества в 1903 году, а с 1925 по 1930 год он занимал пост президента общества. В 1931—1933 годах Резерфорд был президентом Института физики .

В 1914 году Резерфорд был удостоен дворянского титула. 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 увенчал птицей киви — символом Новой Зеландии. Рисунок герба — изображение экспоненты — кривой, характеризующей монотонный процесс убывания со временем числа радиоактивных атомов.

В 1931 году Резерфорд выхлопотал 15 тысяч фунтов стерлингов на постройку и оборудование специального здания лаборатории для Петра Капицы , которого принял на работу в Кавендишскую лабораторию в 1921 году . Капица писал о нем в личной переписке: "В этом человеке, безусловно, есть что-то обаятельное…" Он также прозвал Резерфорда « Крокодилом ». «Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать Резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперед», — позднее пояснял Капица . Ф. Кедров в книге «Капица: жизнь и открытия» приводит другую версию : «Дело в том, что у Резерфорда был громкий голос и он не умел управлять им. Могучий голос мэтра, встретившего кого-нибудь в коридоре, предупреждал тех, кто находился в лабораториях, о его приближении, и сотрудники успевали „собраться с мыслями“. Это дало Капице основание прозвать Резерфорда Крокодилом. Объясняют это ассоциацией с героем популярной детской книжки Крокодилом, который проглотил будильник. Его тиканье предупреждало детей о приближении страшного зверя». 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 в то время скульптор Эрик Гилл . Резерфорд сам объяснил, что это он. Входную дверь открыли позолочённым ключом в форме крокодила .

Эрнест Резерфорд скончался 19 октября 1937 года через четыре дня после срочной операции по поводу неожиданного заболевания — ущемления грыжи — в возрасте 66 лет . Он был похоронен в Вестминстерском аббатстве , рядом с могилами Ньютона, Дарвина и Фарадея .

Научная деятельность

Согласно воспоминаниям П. Л. Капицы , 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 в 1919 году искусственной трансмутации элементов , когда облучение ядер азота в воздухе альфа-частицами и их превращение в атомы кислорода сопровождалось появлением высокоэнергичных частиц ( протонов , ядер атомов водорода), имевших больший пробег, но очень редких .

Резерфорд написал и опубликовал три тома работ. Все они носят экспериментальный характер.

1904 год — «Радиоактивность».

1905 год — «Радиоактивные превращения».

1930 год — «Излучения радиоактивных веществ» (в соавторстве с Дж. Чедвиком и ).

Резерфорда не интересовали прикладные вопросы ядерной энергетики и её перспективы, и он считал, что если человечество воспользуется атомной энергией, то ничего удивительного в этом не будет .

12 учеников Резерфорда стали лауреатами Нобелевской премии по физике и химии. Один из наиболее талантливых учеников Генри Мозли , экспериментально показавший физический смысл Периодического закона , был призван в британскую армию на Первую мировую войну как офицер-связист и погиб в 1915 году в возрасте 27 лет в ходе Дарданелльской операции . В Монреале Резерфорд работал с Фредериком Содди , Отто Ханом ; в Манчестере — с Хансом Гейгером (в частности, помог тому разработать счётчик для автоматического подсчёта числа ионизирующих частиц ), в Кембридже — с Нильсом Бором , Петром Капицей и многими другими знаменитыми в будущем учёными.

Изучение явления радиоактивности

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.

Радиоактивные превращения

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.

В результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества

— Э. Резерфорд, Ф. Содди

В те времена господствовала идея о неизменности и неделимости атома, другие выдающиеся учёные, наблюдая аналогичные явления, объясняли их присутствием новых элементов в исходном веществе с самого начала. Однако время показало ошибочность подобных представлений. Последующие работы физиков и химиков показали, в каких случаях одни элементы могут превращаться в другие и какие законы природы управляют этими превращениями .

Закон радиоактивного распада

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 .

Эксперимент Гейгера — Марсдена с золотой фольгой

Резерфорд — один из немногих лауреатов Нобелевской премии, кто сделал свою самую известную работу после её получения. Совместно с Хансом 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.

Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар.

— Эрнест Резерфорд

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.

Память

Резерфорд является одним из самых уважаемых в мире учёных . В 1914 году Георг V посвятил Резерфорда в рыцари, в качестве рыцаря-бакалавра . В 1925 году принял его в члены ордена Заслуг , а в 1931 году присвоил Резерфорду титул барона, таким образом он получил право именоваться лордом Резерфордом.

В честь Эрнеста Резерфорда названы:

• химический элемент номер 104 в периодической системе — Резерфордий , впервые синтезированный в 1964 году и получивший данное название в 1997 году (до этого носил название «Курчатовий»);
• лаборатория Резерфорда — Эплтона , одна из национальных лабораторий Великобритании , открытая в 1957 году;
• астероид (1249) Резерфордия ;
• кратер на обратной стороне Луны ;
• Медаль и премия Резерфорда Института физики (Великобритания) ;
• Королевского общества Канады ;
• Королевского общества Новой Зеландии;
• Жидкостный ракетный двигатель «Резерфорд» частной аэрокосмической компании Rocket Lab .

Библиография

Труды Резерфорда на русском языке

• Резерфорд Э. // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1921. — Т. 2 , № 2 .
• Резерфорд Э. // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1924. — Т. 4 , № 2—3 .
• Резерфорд Э. // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1925. — Т. 5 , № 1—2 .
• Резерфорд Э. // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1928. — Т. 8 , № 1 .
• Резерфорд Э. // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1929. — Т. 9 , № 5 .
• Резерфорд Э., Чадвик Дж. и др. // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1932. — Т. 12 , № 5—6 .
• Резерфорд Э. // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1938. — Т. 19 , № 1 .
• Резерфорд, Э. Радиоактивность. // Избранные научные труды / Отв. ред. Г.Н.Флеров. Сост. и ред. перевода Ю.М.Ципенюк.. — М. : Наука, 1971. — (Классики науки).
• Резерфорд, Э. Строение атома и искусственное превращение элементов. // Избранные научные труды / Отв. ред. Г.Н.Флеров. Сост. и ред. перевода Ю.М.Ципенюк.. — М. : Наука, 1972. — (Классики науки).

Примечания

Литература

• П. Л. Капица . // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1938. — Т. 19 , № 1 .
• Резерфорд — учёный и учитель. К 100-летию со дня рождения / Под редакцией П. Л. Капицы . — М. : Наука , 1973.
• Д. С. Данин . Резерфорд. — М. : Молодая гвардия, 1966. — ( Жизнь замечательных людей ).
• Храмов Ю. А. Резерфорд Эрнест (Rutherford Ernst) // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера . — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука , 1983. — С. 230. — 400 с. — 200 000 экз.

Ссылки

• Капица П. Л. (Речь, произнесенная в Лондонском Королевском обществе 17 мая 1966 года)
• Капица П. Л. (Доклад на открытии Международного коллоквиума, посвященного 100-летию со дня рождения Э. Резерфорда. 20 августа 1971)
• // Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ. — М.: Прогресс, 1992.