Резерфорд, Эрнест

Эрнест Резерфорд
Ernest Rutherford
Дата рождения:	30 августа 1871
Место рождения:	Спринг Грув, Новая Зеландия
Дата смерти:	19 октября 1937 (66 лет)
Место смерти:	Кембридж, Англия
Страна:	Новая Зеландия — Великобритания
Научная сфера:	физика и химия
Место работы:	Университет Макгилла Университет Манчестера
Альма-матер:	Кентерберийский университет Кембриджский университет
Научный руководитель:	Дж. Дж. Томсон
Известные ученики:	П. Л. Капица Марк Олифант Патрик Блэкетт Ганс Гейгер Фредерик Содди Эрнест Уолтон Джеймс Чедвик Джон Кокрофт Эдуард Эплтон Отто Ган
Известен как:	«отец» ядерной физики
Награды и премии	Нобелевская премия по химии (1908) Медаль Румфорда (1905) Медаль Эллиотта Крессона (1910) Медаль Маттеуччи (1913) Медаль Копли (1922) Медаль Франклина (1924)
Эрнест Резерфорд на Викискладе

Эрне́ст Ре́зерфорд (англ. Ernest Rutherford; 30 августа 1871, Спринг Грув, Новая Зеландия — 19 октября 1937, Кембридж) — британский физик новозеландского происхождения.

Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. Все опыты, поставленные Резерфордом, носили фундаментальный характер и отличались исключительной простотой и ясностью.

Биография

Герб Эрнеста Резерфорда

Резерфорд родился в Новой Зеландии в небольшом посёлке Спринг-Грув (англ. Spring Grove), расположенном на севере Южного острова близ города Нельсона, в семье фермера. Отец — Джеймс Резерфорд, мать — Марта Томсон, дед иммигрировал из г. Перт в Шотландии. В это время другие шотландцы иммигрировали в Квебек, Канаду, 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 Новозеландском университете

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

Наиболее одаренным молодым подданным британской короны, проживавшим в колониях, один раз в два года предоставлялась особая Стипендия имени Всемирной выставки 1851 года, дававшая возможность поехать для дальнейшего продвижения в науке в Англию. В 1895 году Резерфорд был удостоен этой стипендии и осенью того же года он прибывает в Англию в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета и становится первым докторантом ее директора Джозефа Джона Томсона.

В том же году была заключена помолвка с Мэри Джорджиной Ньютон — дочерью хозяйки пансиона, в котором жил Резерфорд. (Свадьба состоялась в 1900 году, 30 марта 1901 года у них родилась родилась дочь — Эйлин Мэри.)

Джозеф Томсон очень скоро оценил выдающиеся способности Резерфорда и привлёк его к своей работе по изучению процесса ионизации газов под действием рентгеновских лучей.

С лета 1898 года учёный делает первые шаги в исследовании только что открытого явления радиоактивности. Осенью Резерфорд переезжает в Канаду и занимает должность профессора Мак-Гиллского университета в Монреале.

Получив широкую известность, благодаря своим работам в области радиоактивности, Резерфорд становится востребованным учёным и получает многочисленные предложения работы в научно-исследовательских центрах различных стран мира. Весной 1907 года он покидает Канаду и начинает профессорскую деятельность в университете Виктория в Манчестере.

В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные 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 года он занимал пост его президента. В 1914 году он удостоен дворянского титула и становится «сэром Эрнстом». 12 февраля в Букингемском дворце король посвятил его в рыцари: он был облачен в придворный мундир и препоясан мечом.

Свой геральдический герб, утверждённый в 1931 году, пэр Англии барон Резерфорд Нельсон (так стал зваться великий физик после возведения в дворянское звание) увенчал птицей киви, символом Новой Зеландии. Рисунок герба — изображение экспоненты — кривой, характеризующей монотонный процесс убывания со временем числа радиоактивных атомов.

Эрнест Резерфорд скончался 19 октября 1937 года и был похоронен в Вестминстерском аббатстве..

Научная деятельность

Эрнест Резерфорд на Сольвеевском конгрессе 1911 года

Первый опыт превращения веществ, азота и кислорода, сделанный Эрнестом Резерфордом

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

1904 год — «Радио-активность».

1905 год — «Радиоактивные превращения».

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

12 учеников Резерфорда стали лауреатами Нобелевской премии по физике и химии. Один из наиболее талантливых учеников Генри Мозли, экспериментально показавший физический смысл Периодического закона, погиб в 1915 году на Галлиполи в ходе Дарданелльской операции. В Монреале работал с Ф. Содди, О. Ханом; в Манчестере — с Г. Гейгером (в частности, помог тому разработать счётчик для автоматического подсчёта числа ионизирующих частиц), в Кембридже — с Н. Бором, П. Капицей и многими другими знаменитыми в будущем учёными.

Изучение явления радиоактивности

Схема опыта по обнаружению сложного состава радиоактивного излучения. 1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый цилиндр, 3 — фотопластинка.

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 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 из присутствием «новых» элементов в исходном веществе с самого начала. Однако время показало ошибочность подобных, 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 это газ и исследовал его ионизирующую способность. Было выяснено, что активность этого газа каждую минуты убывает вдвое.

Изучая зависимость активность 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.

Схема опыта по рассеянию ɑ-частиц. 1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый цилиндр, 3 — фольга из исследуемого материала, 4 — полупрозрачный экран, покрытый ZnS, 5 — микроскоп.

Эксперимент Гейгера — Марсдена с золотой фольгой

Вверху: Ожидаемые результаты: ɑ-частицы, проходящие через ядро в модели Томсона. Внизу: Наблюдаемые результаты: небольшая часть частиц отклоняется, указывая на небольшой, концентрированный положительный заряд. Обратите внимание, что изображения не в масштабе, а в действительности ядро значительно меньше, чем электронная оболочка.

Резерфорд остается единственным лауреатом Нобелевской премии, который сделал свою самую известную работу после получения приза. Совместно с Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом в 1909 году, он провел эксперимент Гейгера — Марсдена, 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 оказались гладкой функцией угла отклонения высокого порядка.

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.

Интересные факты

• За добрый нрав Капицa прозвал Резерфорда «Крокодилом». В 1931 году «Крокодил» выхлопотал 15 тысяч фунтов стерлингов на постройку и оборудование специального здания лаборатории для Капицы. 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 скульптор Эрик Гилл. Резерфорд сам объяснил, что это он. Входную дверь открыли позолоченным ключом в форме крокодила.

По сведениям Даниила Данина («Резерфорд» из цикла ЖЗЛ): 25 Октября 21-Го Года… (Отрывок из письма Капицы матери) Отношения с Резерфордом, или, как я его называю, Крокодилом, улучшаются. [По словам Ива, Капица так объяснял придуманное им прозвище: «Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать Резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперед». Капица добавлял, что «В России на Крокодила смотрят со смесью ужаса и восхищения».]

• Э. Резерфорд, открывший ядро атома, негативно отзывался о перспективах ядерной энергетики: «Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор»
• Когда Пётр Капица приехал работать в Кембридж к Резерфорду, то он ему сказал, что штат лаборатории уже укомплектован. Тогда Капица спросил:

 — Какую допустимую погрешность вы допускаете в экспериментах?

 — Обычно около 3 %

 — А сколько человек работает в лаборатории?

 — 30

 — Тогда 1 человек составляет примерно 3 % от 30

Резерфорд рассмеялся и принял Капицу в качестве «допустимой ошибки». В действительности же Капицу взяли в лабораторию благодаря просьбе физика Иоффе.

• Получив в 1908 году известие о присуждении ему Нобелевской премии по химии, Резерфорд заявил: «Вся наука — или физика, или коллекционирование марок» (All science is either physics or stamp collecting)

Память

Скульптура молодого Эрнеста Резерфорда. Мемориал в Новой Зеландии

Резерфорд является одним из самых уважаемых в мире ученых. 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 назначил Резерфорда бароном.

В честь Эрнеста Резерфорда названы:

• химический элемент номер 104 в периодической системе — Резерфордий, впервые синтезированный в 1964 году и получивший данное название в 1997 (до этого носил название «Курчатовий»).
• лаборатория Резерфорда — Эплтона, одна из национальных лабораторий Великобритании, открытая в 1957 году.

Книги

• Радиоактивность. // Избранные научные труды. — 1971.
• Строение атома и искусственное превращение элементов. // Избранные научные труды. — 1972.

Библиография

• 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.

Ссылки

• Д. Данин «Резерфорд», 1967, 1968. (ЖЗЛ)
• Капица П. Л. Мои воспоминания о Резерфорде (Речь, произнесенная в Лондонском Королевском обществе 17 мая 1966 года)
• Капица П. Л. Роль выдающегося ученого в развитии науки (Доклад на открытии Международного коллоквиума, посвященного 100-летию со дня рождения Э. Резерфорда. 20 августа 1971)
• Резерфорд (Rutherford), Эрнест. Биография на сайте электронной библиотеки «Наука и техника»
• Профиль Эрнеста Резерфорда на официальном сайте РАН
• Опыт Резерфорда (кинофрагмент)
• труды

Научные и академические посты
Предшественник: Чарльз Скотт Шеррингтон	Президент Королевского общества 1925—1930	Преемник: Фредерик Гоуленд Хопкинс