Почему резерфорд не получил нобелевскую премию. Эрнест резерфорд биография

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.

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 которую он получил в 1908 году.

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 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 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 - 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 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. 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.

Один из самых известных физиков Эрнест Резенфорд был родом из Новой Зеландии. Семья его была небогатой, а сам Резенфорд был четвертым ребенком из двенадцати. Казалось бы какое-то особое будущее ему не светит, но напротив с детства ученый стремился к образованию, и благодаря своему уму и усидчивости он добился стипендии, позволяющей обучаться в одном из лучших колледжей страны. В 1894 году будущий физик стал бакалавром естественных наук.

Он так хорошо учился, что был удостоен персональной стипендии и права продолжить обучение в Англии. Резерфорд приехал в Кембридж и стал аспирантом в Кавендишской лаборатории. Там он продолжил изучать распространение радиоволн, и впервые провел радиосвязь на расстоянии около километра. Но чисто инженерные проблемы никогда не привлекали его и Резерфорд начал заниматься изучением проводимости воздуха под воздействием только что открытых лучей Рентгена. Эта работа, которой он занимался совместно с Дж. Дж.Томпсоном, привела к открытию электрона. После этого Резерфорд и занялся изучением структуры атома.

Защитив докторскую диссертацию, Резенфорд уехал в Канаду и занял должность профессора физики в Макгиллском университете в Монреале. Там он начал изучать радиоактивность. Резерфорд исследовал свойства альфа- и бета-лучей, а также открыл изотопы тория и радия. В 1908 году Эрнест Резерфорд получил Нобелевскую премию за свою теорию о превращении радиоактивных элементов. Это исследование ученый проводил вместе с Ф.Содди.

В 1907 году Резенфорд вновь приехал в Англию, где стал руководителем кафедры физики Манчестерского университета. Изучая рассеяние альфа-лучей,ученый открыл существование атомных ядер и определил их размеры. Эту работу он сделал совместно с будущим известным физиком Марсденом. На основе этих исследований и теоретических работ датского физика Нильса Бора была создана модель атома Бора-Резерфорда.

В 1918 году Резерфорд сделал еще одно крупное открытие - доказал возможность превращения ядра азота в кислород под воздействием альфа-частиц, подтвердив возможность, превращения одного химического, элемента в другой.

Изучая столкновения альфа-частиц с атомами водорода, Резерфорд сделал и другое фундаментальное открытие - искусственную радиоактивность.

Интересно, что ученый считал это чисто научной проблемой и не верил в возможность практического использования ядерной энергии. Тем не менее именно его сотрудник, а позже, крупный немецкий физик Отто Ган открыл деление урана, а работы Резерфорда в огромной степени приблизили наступление ядерного века. В 1919 году Эрнест Резерфорд становится директором Кавендишской лаборатории. На этом посту он оставался до самой смерти. Лаборатория стала настоящей Меккой для физиков XX века. В ней работали многие крупнейшие ученые нашего времени, считавшие себя учениками Резерфорда, - Блекетт, Кокрофт, Чедвик, Капица, Уолтон. Ученый считал, что главное - дать человеку возможность раскрыться до конца и показать, на что он способен. Так, он был инициатором строительства специальной магнитной лаборатории для опытов П.Капицы, а позже добился продажи уникального оборудования в СССР, чтобы ученый мог продолжить там свою научную работу.

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.

Резерфорд Эрнест (1871-1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы.

Родился 30 августа 1871 г. в городе Спринг – Броув (Новая Зеландия) в семье шотландских эмигрантов. Отец работал механиком и фермером-льноводом, мать - учительницей. Эрнест был четвёртым из 12 детей Резерфордов и самым талантливым.

Уже при окончании начальной школы, как первый ученик, он получил премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования. Благодаря этому Резерфорд поступил в колледж в Нельсоне (Новая Зеландия). После окончания колледжа юноша сдал экзамены в Кентерберийский университет и здесь серьёзно занялся физикой и химией.

Он участвовал в создании научного студенческого общества и сделал в 1891 г. доклад на тему «Эволюция элементов», где впервые прозвучала идея о том, что атомы - сложные системы, построенные из одних и тех же составных частей.

В период, когда в физике господствовала идея Дж. Дальтона о неделимости атома, эта мысль показалась абсурдной, и молодому учёному даже пришлось извиняться перед коллегами за «явную чепуху».

Правда, через 12 лет Резерфорд доказал свою правоту. После окончания университета Эрнест стал учителем средней школы, но это занятие было ему явно не по душе. К счастью, Резерфорду - лучшему выпускнику года - присудили стипендию, и он отправился в Кембридж - научный центр Англии - для продолжения занятий.

В Кавендишской лаборатории Резерфорд создал передатчик для радиосвязи в радиусе 3 км, но отдал приоритет на его изобретение итальянскому инженеру Г. Маркони, а сам приступил к изучению ионизации газов и воздуха. Учёный заметил, что урановое излучение имеет две составляющие - альфа- и бета-лучи. Это было открытием.

В Монреале при изучении активности тория Резерфорд открыл новый газ - радон. В 1902 г. в работе «Причина и природа радиоактивности» учёный впервые высказал мысль о том, что причиной радиоактивности является самопроизвольный переход одних элементов в другие. Он установил, что альфа-частицы заряжены положительно, их масса больше массы атома водорода, а заряд приблизительно равен заряду двух электронов, и это напоминает атомы гелия.

В 1903 г. Резерфорд стал членом Лондонского королевского общества, а с 1925 по 1930 г. занимал пост его президента.

В 1904 г. вышел фундаментальный труд учёного «Радиоактивные вещества и их излучения», который стал энциклопедией для физиков-ядерщиков. В 1908 г. Резерфорд стал нобелевским лауреатом за исследования радиоактивных элементов. Руководитель физической лаборатории в Манчестерском университете, Резерфорд создал школу физиков-ядерщиков, своих учеников.

Вместе с ними он занимался исследованием атома ив 1911 г. окончательно пришёл к планетарной модели атома, о чём написал в статье, вышедшей в майском номере «Философского журнала». Модель приняли не сразу, она утвердилась только после её доработки учениками Резерфорда, в частности Н. Бором.

Умер учёный 19 октября 1937 г. в Кембридже. Как и многие великие люди Англии, Эрнест Резерфорд покоится в соборе Святого Павла, в «Уголке науки», рядом с Ньютоном, Фарадеем, Дарённом, Гершелем.