Резерфорд ернест: біографія, досліди, відкриття

Резерфорд Ернест (роки життя: 30.08.1871 – 19.10.1937) – англійський фізик, творець планетарної моделі атома, основоположник ядерної фізики. Він був членом Лондонського Королівського товариства, а з 1925 по 1930 рік – і його президентом. Ця людина – володар Нобелівської премії з хімії, яку він отримав у 1908 році.

Майбутній вчений народився в сім'ї Джеймса Резерфорда, колісного майстра, і Марти Томпсон, вчительки. Крім нього, в сім'ї було 5 дочок і 6 синів.

Навчання та перші нагороди

До того як в 1889 році сім'я переселилася з Південного острова Нової Зеландії в Північний, Резерфорд Ернест навчався у м Крайстчерчі, в Кентерберійському коледжі. Уже в цей час виявилися блискучі здібності майбутнього вченого. Після закінчення 4 курсу Ернест був удостоєний нагороди за кращу роботу в галузі математики, а також зайняв 1-е місце на магістерських іспитах з фізики та з математики.

Винахід магнітного детектора

Ставши магістром мистецтв, Резерфорд не покинув коледжу. Він занурився в самостійну наукову роботу з магнетізаціі заліза. Їм був розроблений і виготовлений спеціальний прилад – магнітний детектор, який став одним з перших у світі приймачів електромагнітних хвиль, а також "вхідним квитком" Резерфорда у велику науку. У його житті незабаром сталася важлива зміна.

Резерфорд вирушає до Англії

Самим обдарованим молодим підданим англійської корони з Нової Зеландії надавалася раз на два роки стипендія ім. Всесвітньої виставки 1851, яка давала можливість відправитися в Англію для вивчення наук. У 1895 році вирішено було, що два новозеландця гідні такої честі – фізик Резерфорд і хімік Маклорен. Однак місце було тільки одне, і надії Ернеста звалилися. На щастя, Маклорен змушений був за сімейними обставинами відмовитися від цієї поїздки, і Резерфорд Ернест восени 1895 прибув до Англії. Тут він почав роботу в Кембриджському університеті (в Кавендішевской лабораторії) і став першим докторантом Дж. Томсона, її директора (на фото нижче).

Вивчення променів Беккереля

Томсон на той час вже був відомим вченим, одним з членів шанованого всіма Лондонського королівського товариства. Здібності Резерфорда він оцінив швидко і залучив його до роботі по вивченню іонізації газів під впливом рентгенівських променів, яку він проводив. Проте вже в 1898 році, влітку, Ернест робить свої перші кроки в іншій області дослідження. Його зацікавили "промені Беккереля". Випромінювання уранової солі, відкрите Беккерелем, фізиком з Франції, пізніше стало відомо як радіоактивне. Французький вчений, а також подружжя Кюрі, активно займалися його дослідженням. У 1898 році в роботу включився і Резерфорд Ернест. Цей учений виявив, що в дані промені входять потоки ядер гелію, позитивно заряджених (альфа-частинок), а також потоки електронів (бета-частинок).

Подальше вивчення променів урану

У Паризьку академію наук 18 липня 1898 була представлена робота подружжя Кюрі, яка викликала великий інтерес Резерфорда. У ній автори вказували, що крім урану є й інші радіоактивні (даний термін був ужитий вперше саме тоді) елементи. Резерфорд пізніше ввів поняття про період напіврозпаду – одному з головних відмінних ознак цих елементів.

Ернесту в грудні 1897 продовжили виставкову стипендію. Вчений отримав можливість подальшого дослідження променів урану. Однак у квітні 1898 року в Монреалі звільнилося місце професора місцевого Мак-Гіллского університету, і Ернест вирішив відправитися в Канаду. Пройшла пора учнівства. Всім було ясно, що Резерфорд вже готовий працювати самостійно.

Переїзд в Канаду і нову роботу

Восени 1898 відбувся переїзд до Канади. На перших порах викладання Резерфорда йшло не дуже-то успішно: студентам не припали до смаку лекції, які молодий професор, ще не навчився цілком відчувати аудиторію, перенасичувати деталями. У науковій роботі також виникли деякі труднощі через те, що прибуття замовлених Резерфордом радіоактивних препаратів затримувалося. Однак всі шорсткості незабаром згладилися, і для Ернеста почалася смуга удач і успіхів. Втім, навряд чи доречно говорити про удачі: всі досягалося нелегкою працею, в який залучалися його нові друзі та однодумці.

Відкриття закону радіоактивних перетворень

Навколо Резерфорда вже тоді сформувалася атмосфера творчого ентузіазму і захопленості. Праця був радісним і напруженим, він наводив до великих успіхів. Резерфорд в 1899 році відкрив еманацію торію. Спільно з Содді в 1902-1903 роках він прийшов уже до загального законом, застосовуваним до всіх радіоактивним перетворенням. Слід сказати кілька докладніше про це важливому науковому подію.

Учені всього світу твердо засвоїли в той час, що неможливо перетворити одні хімічні елементи в інші, тому слід навіки поховати мрії алхіміків добувати зі свинцю золото. І ось з'явилася робота, в якій стверджувалося, що при радіоактивних розпадах перетворення елементів не тільки відбуваються, але їх неможливо ані сповільнити, ні припинити. Більше того, були сформульовані закони цих перетворень. Сьогодні ми розуміємо, що саме зарядом ядра визначаються хімічні властивості елемента і його положення в періодичній системі Менделєєва. Коли на дві одиниці зменшується заряд ядра, що відбувається при альфа-розпаді, він "переміщається" вгору на 2 клітинки в таблиці Менделєєва. На одну клітку вниз він зміщується при електронному бета-розпаді, а на клітку вгору – при позитронному. Попри очевидність цього закону і його уявну простоту, це відкриття було одним з найважливіших подій в науці початку 20 століття.

Одруження на Мері Джорджини Ньютон, народження доньки

В цей же час відбулася важлива подія в особистому житті Ернеста. Через 5 років після заручин з Мері Джорджиной Ньютон одружився на ній учений Ернест Резерфорд, біографія якого до цього часу вже була відзначена значними досягненнями. Ця дівчина була дочкою господині пансіону в Крайстчерчі, де він колись жив. У 1901 році, 30 березня, з'явилася на світ єдина дочка в сімействі Резерфорд. Ця подія практично збіглося за часом з народженням у фізичній науці нової глави – фізики ядра. А через 2 роки Резерфорд став членом Лондонського королівського товариства.

Книги Резерфорда, досліди з просвічування фольги альфа-частинками

Ернест створив 2 книги, в яких узагальнив підсумки своїх наукових пошуків і досягнень. Перша вийшла під назвою "Радіоактивність" в 1904 році. "Радіоактивні перетворення" з'явилася через рік. Автор цих книг починав в цей час нові дослідження. Він зрозумів, що саме з атомів виходить радіоактивне випромінювання, проте абсолютно неясним залишалося місце його виникнення. Слід було вивчити пристрій ядра. І тоді Ернест звернувся до методики просвічування альфа-частинками, з якою він починав свою роботу у Томсона. У дослідах вивчався, як потік цих частинок проходить через тонкі листочки фольги.

Перша модель атома, запропонована Томсоном

Була запропонована перша модель атома, коли стало відомо про те, що у електронів негативний заряд. Однак вони входять в атоми, які є в цілому електронейтральних. Значить в його складі має бути щось, що носить позитивний заряд. Для вирішення цієї проблеми Томсон запропонував наступну модель: атом – це щось на зразок краплі, позитивно зарядженої, радіус якої становить стомільйонний частку сантиметри. Всередині неї є крихітні електрони з негативним зарядом. Вони прагнуть під дією кулонівських сил зайняти положення в самому центрі атома, проте якщо їх що-небудь виведе з рівноваги, вони здійснюють коливання, що супроводжуються випромінюванням. Ця модель пояснювала існування спектрів випромінювання – факт, про який було відомо в той час. З дослідів вже стало ясно, що в твердих тілах відстані між атомами приблизно такі ж, як і їх розміри. Здавалося очевидним тому, що альфа-частинки не можуть пролетіти крізь фольгу, так само як камінь не пролетить через ліс, в якому дерева ростуть практично впритул один до одного. Проте перші ж досконалі Резерфордом досліди переконували в тому, що це не так. Більшість альфа-частинок, майже не відхиляючись, пронизувало фольгу, і тільки в деяких спостерігалося відхилення, часом істотне. Цим дуже зацікавився Ернест Резерфорд. Цікаві факти вимагали подальшого вивчення.

Планетарна модель Резерфорда

І тоді знову проявилася інтуїція Резерфорда і вміння цього вченого розуміти мову природи. Ернест рішуче відмовився від запропонованої Томсоном моделі атома. Досліди Резерфорда призвели до того, що він висунув свою, що отримала назву планетарної. Відповідно до неї, в центрі атома знаходиться ядро, в якому зосереджена вся маса даної атома, незважаючи на його досить малі розміри. А навколо ядра, подібно до планет, обертовим навколо Сонця, рухаються електрони. Маси їх істотно менше, ніж у альфа-частинок, і саме тому останні практично не відхиляються, коли пронизують електронні хмари. І лише коли близько від ядра, позитивно зарядженого, пролітає альфа-частинка, кулонівська сила відштовхування здатна різко викривити траєкторію її руху. Така теорія Резерфорда. Безумовно, це було велике відкриття.

Закони електродинаміки і планетарна модель

Досвіду Резерфорда було достатньо для того, щоб переконати багатьох вчених в існуванні планетарної моделі. Однак з'ясувалося, що вона не так однозначна. Формула Резерфорда, яку він вивів з опорою на цю модель, узгоджувалася з даними, отриманими в ході експерименту. Однак вона спростовувала закони електродинаміки!

Закони ці, які були встановлені в основному працями Максвелла і Фарадея, стверджують, що заряд, прискорено рухається, випромінює електромагнітні хвилі і втрачає через це енергію. В атомі Резерфорда електрон рухається в кулонівському полі ядра прискорено і, відповідно до теорії Максвелла, він повинен втратити всю енергію за десятимільйонна частку секунди, після чого впасти на ядро. Однак цього не відбувалося. Отже, формула Резерфорда спростовувала теорію Максвелла. Ернест знав про це, коли в 1907 році настав час повертатися до Англії.

Переїзд в Манчестер і здобуття Нобелівської премії

Роботи Ернеста у Мак-Гільському університеті сприяли тому, що він став дуже відомим. Резерфорда стали навперебій запрошувати в наукові центри різних країн. Вчений навесні 1907 роки вирішив залишити Канаду і прибув в Манчестер, в університет Вікторії, де продовжив свої дослідження. Спільно з Х.Гейгером він створив в 1908 році лічильник альфа-частинок – новий прилад, який зіграв важливу роль у з'ясуванні того, що альфа-частинки – це атоми гелію, двічі іонізовані. Резерфорд Ернест, відкриття якого мали величезне значення, в 1908 році отримав Нобелівську премію (з хімії, а не з фізики!).

Співпраця з Нільсом Бором

Тим часом планетарна модель займала його думки все сильніше. І ось в березня 1912 Резерфорд став співпрацювати і дружити з Нільсом Бором. Найбільша заслуга Бора (фото його представлено нижче) полягала в тому, що він вніс принципово нові риси в планетарну модель – ідею квантів.

Він висунув "постулати", що здавалися на перший погляд внутрішньо суперечливими. На його думку, в атомі є орбіти. Електрон, рухаючись по ним, не випромінює, всупереч законам електродинаміки, хоча і має прискорення. Цей учений вказав правило, за допомогою якого можна знайти ці орбіти. Він з'ясував, що кванти випромінювання з'являються лише при переході електрона з орбіти на орбіту. Модель атома Резерфорда-Бора вирішила багато проблем, а також стала проривом у світ нових ідей. Її відкриття привело до корінного перегляду уявлень про матерію, про її русі.

Подальша обширна діяльність

У 1919 році Резерфорд став професором Кембріджського університету, а також директором Кавендішевской лабораторії. Десятки вчених справедливо вважали його своїм учителем, включаючи згодом удостоєних Нобелівських премій. Це Дж. Чедвік, Г. Мозлі, М. Оліфант, Дж. Кокрофт, О. Ган, В. Гейтлер, Ю.Б. Харитон, П.Л. Капіца, Г. Гамов та ін. Потік почестей і нагород ставав все рясніше. У 1914 році Резерфорд отримує дворянство. Президентом Британської асоціації він стає в 1923 році, а з 1925 по 1930 був президентом Королівського товариства. Титул барона Ернест отримує в 1931 році і стає лордом. Однак, незважаючи на все більш високі навантаження, і не тільки наукові, він продовжує атаки на таємниці ядра і атома.

Пропонуємо вам один цікавий факт, пов'язаний з науковою діяльністю Резерфорда. Відомо, що Ернест Резерфорд користувався наступним критерієм, коли вибирав собі співробітників: він давав людині прийшов до нього вперше, завдання, і якщо новий співробітник після цього цікавився, що йому робити далі, його відразу ж звільняли.

Вчений вже приступив до експериментів, які закінчилися відкриттям їм штучного розщеплення ядер атомів і штучного перетворення хімічних елементів. У 1920 році Резерфорд передбачив існування дейтрона і нейтрона, а в 1933 став ініціатором і учасником експерименту з перевірки існуючої в ядерних процесах взаємозв'язку енергії і маси. У 1932 році, в квітні, він підтримав ідею застосування прискорювачів протонів при дослідженні ядерних реакцій.

Смерть Резерфорда

Величезний вплив на науку і техніку, на життя мільйонів людей зробили праці Ернеста Резерфорда та роботи його учнів, які належать до кільком поколінням. Великий учений, звичайно, не міг не задуматися про те, чи буде цей вплив позитивним. Однак він був оптимістом, свято вірив у науку і в людей. Ернест Резерфорд, коротка біографія якого була нами описана, помер у 1937 році, 19 жовтня. Його поховали у Вестмінстерському абатстві.