Резерфорд, Эрнест
gigatos | 15 февраля, 2022
Суммури
Эрнест Резерфорд, первый барон Нельсон Резерфорд, ОМ, PC, FRS, PRS (30 августа 1871 г. Спринг Гроув, Новая Зеландия — 19 октября 1937 г. Кембридж, Англия, Великобритания) — британский физик, родившийся в Новой Зеландии.
Резерфорд с детства получил возможность получить образование и использовал ее, чтобы преуспеть в учебе. Еще будучи студентом, он проводил собственные исследования и был принят в свою первую исследовательскую группу в качестве аспиранта в Кембриджском университете, Англия. Это стало началом исследований физика в области радиоактивности. Они продолжались на протяжении всей его жизни в различных университетах мира, принося значительные достижения.
Среди великих открытий в физике ему принадлежит заслуга открытия атомного ядра в эксперименте, известном сегодня как эксперимент Резерфорда. Он изучал радиоактивность и первым ввел термины альфа-, бета- и гамма-излучение. Резерфорд первым обнаружил, что половина радиоактивного материала распадается за постоянное время (период полураспада). Резерфорд также открыл протон и выдвинул гипотезу о существовании в атоме незаряженных частиц — нейтронов. Резерфорд был удостоен Нобелевской премии по химии в 1908 году за исследования в области химии радиоактивных элементов.
Эрнест родился в Спринг Гроув, Новая Зеландия, 30 августа 1871 года. Отец Эрнеста, Джеймс Резерфорд, и мать, Марта Томпсон, эмигрировали со своими родителями в Новую Зеландию в середине 19 века: отец Джеймс из Шотландии в возрасте 4 лет, а мать Марта из Англии в возрасте 13 лет. Эрнест родился в семье среднего класса. Согласно различным источникам, его отец всю жизнь работал фермером и льноводом, а также имел собственную лесопилку, на которой много работал и молодой Эрнест. Эрнеста окружали трудолюбивые люди с хорошими техническими навыками. Его отец также ремонтировал и обслуживал машины и детали для различных мельниц. Его мать была учительницей и научила всех своих детей читать и писать. В семье Резерфордов родилось 12 детей, пять девочек и семь мальчиков. Эрнест был четвертым ребенком и вторым старшим сыном. Три брата Эрнеста умерли в младенчестве, один при рождении, а двое, к сожалению, утонули во время семейной поездки. Это привело к депрессии матери Эрнеста, от которой она так и не оправилась за всю свою жизнь.
Все дети Резерфордов получили хорошее образование, потому что их родители ценили образование. Благодарность родителей объясняется тем, что у отца Джеймса никогда не было такой возможности, а у матери Марты была. Его мать считала, что «любое знание — это сила». Свои школьные годы Эрнест провел в сельских школах того места, где он жил до 1886 года (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Свою первую научную книгу он получил в школе в возрасте 10 лет. В том же году Резерфорд построил собственную миниатюрную пушку, которая, к счастью, взорвалась, не причинив никакого вреда.
Читайте также, биографии — Грей, Джейн
Годы обучения
В 1887 году, со второй попытки, 15-летний Эрнест получил стипендию Совета по образованию Мальборо для поступления в Нельсон-колледж, частную среднюю школу. Он уехал из дома и успешно учился по всем предметам, особенно по математике и естественным наукам. Во время учебы он увлекался регби. После окончания школы в 1890 году, опять же со второй попытки, Эрнесту удалось получить стипендию в Кентерберийском колледже в Крайстчерче, одном из четырех новозеландских университетов. В Кентербери Резерфорду посчастливилось учиться у блестящих профессоров, которые действительно заинтересовали его научными исследованиями. В течение трех лет обучения он изучал латынь, французский язык и математику. В 1892 году он окончил университет (бакалавр искусств) по математике, прикладной математике, латыни, английскому, французскому и физике. Благодаря отличным оценкам он получил стипендию на один год обучения в аспирантуре (год «с отличием»). В течение этого дополнительного года г-н Резерфорд получил степень бакалавра наук по геологии и химии. Он также продолжал изучать математику и физику, проводя независимые исследования, сосредоточившись в основном на теории электричества и магнетизма. Его основными исследованиями в то время были высокочастотная магнитная индукция и магнитная вязкость железа и стали, по которым он также опубликовал свои первые работы. В ходе своих исследований он также разработал несколько новых физических приборов, в том числе детектор быстрых импульсов тока. Примерно в это время он встретил и полюбил Мэри Ньютон, дочь владельца квартиры, где он учился.
Читайте также, биографии — Жанна д’Арк
Будучи аспирантом в университете
После университета Резерфорд стремился стать научным сотрудником Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Англии. Его желание, к счастью, исполнилось, когда Джеймс Маклаурин, один из других претендентов, отказался от должности, потому что не согласился с условиями стипендии. Поэтому Резерфорд уехал из Новой Зеландии в Англию и стал первым аспирантом, получившим высшее образование за пределами Кембриджа (1895-98). Так Резерфорд начал свою научную работу в исследовательской группе профессора Дж. Дж. Томпсона в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Будучи амбициозным аспирантом, он первым успешно передавал и принимал электромагнитные волны. В ходе своих исследований ему удалось передать электромагнитные волны на расстояние в полмили, что в то время было мировым рекордом. Помимо того, что Резерфорд показал, что колебательный разряд намагничивает железо, он обнаружил, что намагниченная игла теряет свой магнетизм в магнитном поле, создаваемом переменным током. Таким образом, игла стала детектором электромагнитного излучения, что в то же время было обнаружено немецким физиком Генрихом Герцем в его лаборатории. Результаты Резерфорда были проще и имели больший коммерческий потенциал. Когда Резерфорд узнал об открытии рентгеновских лучей немцем Вильгельмом Рентгеном, он по просьбе Дж. Дж. Томпсона с удовольствием перешел к изучению влияния рентгеновских лучей на проводимость электричества в газах. Исследования Томпсона и Резерфорда привели к наблюдению ионизации, разложению атомов и молекул на положительные и отрицательные части (ионы) и притяжению этих заряженных частиц к противоположным электродам. Исследования Резерфорда также были направлены на изучение излучения, создающего ионы, ультрафиолетового излучения и излучения, испускаемого ураном. Резерфорд обнаружил, что излучение, испускаемое ураном, гораздо сложнее, чем считалось ранее. Вскоре он начал понимать концепцию радиоактивности, которая стала его главным интересом и, следовательно, делом всей его жизни. В 1898 году он обнаружил, что радиоактивные атомы, в его исследовании — атомы урана, испускают два вида излучения. Он назвал их альфа (α) и бета (β) излучениями. Очень скоро оказалось, что бета-излучение — это быстрые электроны. В течение нескольких лет после этого ученые сосредоточили свое внимание на изучении альфа- и бета-излучения. Помимо научной работы, он и Дж. Дж. Томпсон имели возможность посещать заседания Королевского общества и Британской ассоциации. Это дало ему возможность поделиться результатами своих исследований и продемонстрировать свой талант, и он оставил неизгладимый след в Кембриджском университете.
Читайте также, биографии — Аршил Горки
Исследования и достижения в университетах
Университет Макгилла, Монреаль, Канада (1898-1907)
Манчестерский университет, Англия (1907-19)
Кембриджский университет, Кавендишская лаборатория, Англия (1919-1937)
В 1898 году Резерфорд принял должность профессора в университете Макгилла в Монреале, Канада (1898-1907). В университете были хорошо оборудованные лаборатории, поэтому Резерфорд переехал за океан. Он нанял молодого химика Фредерика Содди, чтобы тот помогал ему в исследованиях, и аспирантку Харриет Брукс в качестве своей ассистентки. С их помощью он продемонстрировал тайну радиоактивного распада: атомы некоторых элементов спонтанно распадаются на атомы более легких элементов. Это был один из прорывов в его карьере. Обнаружив, что конечным продуктом распада урана является свинец, Резерфорд понял, что, измерив относительные пропорции урана и свинца в минералах и скорость распада атомов урана, можно определить возраст минералов. Радиоактивное датирование образцов почвы и сегодня является важной частью геологических исследований. В результате исследований распада тяжелых элементов была разработана концепция периода полураспада — времени, которое требуется половине атомных ядер радиоактивного вещества для распада на другие атомные ядра.
В 1902-1903 годах Резерфорд и Содди разработали теорию распада как объяснение радиоактивности, которая считается величайшим достижением Резерфорда в Университете Макгилла. В алхимии и теории переходных элементов атомы считались стабильными, но Резерфорд и Содди утверждали, что радиоактивная энергия исходит изнутри атома и что спонтанное испускание альфа- и бета-частиц знаменует собой химическое превращение атомов из одного элемента в другой. Подавляющее число доказательств, полученных в ходе экспериментальных исследований, подавило сомневающихся. Резерфорд считал, что альфа-частица вносит основной вклад в это химическое изменение из-за конкретной массы альфа-частицы. Он определил положительный заряд на альфа-частице, но пока не мог определить, был ли это ион водорода или гелия.
Во время работы в Университете Макгилла Резерфорд брал все больше и больше студентов-исследователей, включая женщин, которых в то время в университете было немного. Она была востребованным оратором и журналистом. В 1900 году он был избран членом Королевского общества Канады, а в 1903 году — членом Лондонского королевского общества. В этот период он также написал самые важные учебники по радиоактивности. Его первая книга «Радиоактивность» была опубликована в 1904 году. Он получал гранты, медали и множество предложений о работе. Позже, в 1908 году, он был удостоен Нобелевской премии по химии за свои исследования по распаду элементов и результаты химического исследования радиоактивных веществ. Обескураженный Резерфорд часто говорил друзьям, что самым быстрым изменением, о котором он знал, был его переход от физика к химику.
В 1900 году Резерфорд ненадолго вернулся в Новую Зеландию, чтобы жениться на своей возлюбленной Мэри Ньютон. Их единственный ребенок Эйлин родилась в 1901 году. Пара посетила Новую Зеландию в 1905 году, чтобы возобновить связи со своими семьями.
Резерфорд никогда не хотел долго стоять на месте, и ему часто приходили в голову новые альтернативные возможности. В Северной Америке было хорошее научное сообщество, но центр земной физики находился в Европе. Англия снова привлекла его. Англия была ближе к основным научным центрам и имела больше и лучше дипломированных студентов. В 1907 году, когда Резерфорду предложили пост главы Манчестерского университета, он согласился.
В Манчестерском университете Резерфорд сосредоточил свои исследования на альфа-, бета- и гамма-излучении и на том, как эти виды излучения могут дать новое представление о природе атомов. Он оставил радиохимию другим ученым и вернулся к физике. Резерфорду удалось доказать в своих физических исследованиях то, о чем он давно догадывался. Альфа-частица представляла собой атом гелия без электронов. Однако он хотел получить более веские доказательства своих выводов и провел несколько новых экспериментов со своей исследовательской группой. Вместе с Гансом Гейгером Резерфорд разработал электрический детектор, «электрометр», для обнаружения ионизированных частиц. С помощью этого прибора он смог определить экспериментально важные физические константы, включая постоянную Авогадро. Позже Гейгер вместе с Вальтером Мёллером завершил создание прибора для измерения радиоактивности — трубки Гейгера (Мёллера), которая и сегодня является универсальным прибором для измерения радиоактивности. Под руководством Гейгера Резерфорд поручил своему молодому студенту Эрнесту Мадсену измерить относительное количество альфа-частиц в зависимости от угла рассеяния и определить, будет ли альфа-излучение отражаться обратно от металлов (сейчас это известно как эксперимент Резерфорда). Мадсен обнаружил, что часть альфа-излучения отражается от металлов и даже непосредственно от тонкой золотой пленки. Этот результат несколько удивил даже Резерфорда. На основании этих результатов в 1911 году он пришел к выводу, что почти вся масса атома сосредоточена в его крошечном ядре, которое в 1000 раз меньше самого атома, и поэтому большая часть атома представляет собой пустое пространство. Было найдено ядро атома. Это второе великое открытие Резерфорда принесло ему неизгладимую славу. В 1912 году датский физик Нильс Бор посетил лабораторию Резерфорда и через год продемонстрировал важность выводов Резерфорда. Бор доказал, что радиоактивность зарождается в ядре атома, а химические свойства — в электронах, вращающихся вокруг ядра. Он использовал квантовую идею Резерфорда для создания орбитальной модели электронов в атоме. Таким образом, была создана новая атомная модель. Атомные модели Резерфорда и Бора до сих пор входят в современные учебники по химии и физике. Кроме того, резерфордовское рассеяние до сих пор используется в устройствах микроэлектроники, применяемых для обнаружения ядерных частиц и атомных орбиталей.
В год начала Первой мировой войны (1914-1918) Резерфорд был посвящен в рыцари. Во время войны он проводил исследования для правительства, разрабатывая акустические методы обнаружения подводных лодок. Затем эта информация была передана американцам. В то же время он безуспешно пытался убедить молодых ученых в том, что лучше использовать их для разработки и исследования проблем военного времени, чем их жизни и научный талант будут уничтожены в окопах. Ближе к концу войны, в 1917 году, Резерфорд вернулся к практике атомной науки. При бомбардировке легких атомов альфа-излучением Резерфорд заметил, что вылетающие частицы имеют более высокую энергию, чем альфа-излучение, и догадался, что эти частицы — ядра водорода (протоны H+). На основании этого наблюдения он сделал вывод, что бомбардировка одновременно преобразовала атомы азота в атомы кислорода. Таким образом, ему удалось использовать альфа-частицы (He2+) для преобразования одного элемента в другой в результате ядерной реакции. Таким образом, Резерфорд стал первым в мире успешным алхимиком и первым, кто расщепил ядро, что привело к прочной научной репутации. Эти результаты были опубликованы после войны в 1919 году.
После войны в 1919 году он вернулся к своим университетским научным корням и был удостоен чести занять пост профессора экспериментальной физики в Кембридже и пост директора Кавендишской лаборатории, сменив знаменитого сэра Дж. Его время теперь также было занято административными обязанностями, поэтому у него уже не было столько времени, чтобы сосредоточиться на исследованиях, как раньше.
Резерфорд пригласил Джеймса Чедвика, аспиранта из Манчестера, присоединиться к нему в Кавендише, чтобы продолжить их совместные исследования. В лабораторных экспериментах они бомбардировали легкие атомы альфа-излучением, вызывая изменения в их структуре, но не смогли проникнуть альфа-излучением в ядра более тяжелых элементов. Взаимные заряды между альфа-излучением и ядрами более тяжелых атомов, казалось, отталкивали друг друга. Кроме того, они не смогли определить, была ли альфа-частица отражена обратно, или же она слилась с ядром, чтобы все равно попасть под бомбардировку. В конце концов, в конце 1920-х годов достижения в области экотехнологий позволили решить эти вопросы. Между тем, в свое первое десятилетие в качестве университетского профессора и директора лаборатории Резерфорд уделял основное внимание созданию первоклассных исследовательских групп. Он проявил себя как гуманный и благожелательный руководитель, который следил за тем, чтобы студенты получали кредиты за исследования, которые он курировал. В университете он выступал за то, чтобы женщины имели те же права, что и мужчины.
В 1925 году Резерфорд совершил последнее путешествие — в Австралию и Новую Зеландию. Во время своего шестинедельного визита в Новую Зеландию он прочитал несколько публичных лекций. Где бы он ни читал лекции, его принимали с уважением. Залы были заполнены людьми, которые хотели услышать его рассказ о структуре атома. Резерфорд заявил, что всегда гордился тем, что он новозеландец. Он выразил свою поддержку образованию и исследованиям и рекомендовал проводить научные исследования, которые принесут пользу фермерам. Благодаря его поддержке в Новой Зеландии был создан Институт научных и промышленных исследований в 1926 г. Во время своего визита в Новую Зеландию он также уделял время поддержке своих больных родителей.
Единственная дочь Резерфордов Эйлин была замужем за Ральфом Фаулером, физиком-математиком из Кавендишской лаборатории. У них было четверо детей, все они получили высшее образование. Печаль обрушилась на семью Резерфордов, когда Эйлин умерла от тромба в 1930 году, в возрасте всего 29 лет, через девять дней после рождения младшего ребенка и всего за два дня до Рождества 1930 г. На Новый год в том же году Резерфорды были возведены в баронеты, барон Резерфорд Нельсонский, но эта честь была омрачена печалью от смерти дочери.
По мере развития технологий 1930-е годы стали золотым веком для исследовательских групп Резерфорда. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, продемонстрировав, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Резерфорд предсказал существование нейтрона десятилетием ранее и направлял Чедвика в его исследованиях, указывая ему, какими свойствами должен обладать нейтрон. В том же году Джону Кокрофту и Эрнесту Уолтону удалось расщепить атом лития путем бомбардировки его протонами, ядрами атома водорода, разогнанными до очень высоких скоростей высоковольтным ускорителем. Атом лития распался на две альфа-частицы. За свою работу в 1951 году пара была удостоена Нобелевской премии по физике.
После изобретения облачной камеры (английский физик Чарльз Вильсон, Нобелевская премия по физике в 1927 году) были получены визуальные доказательства того, что на самом деле происходит при столкновениях. Английский физик Патрик Блэкетт использовал облачную камеру для изучения 400 000 столкновений альфа-частиц и обнаружил, что большинство из них были обычными упругими столкновениями. Однако некоторые из столкновений привели к распаду. В них альфа-излучение проникало в ядро иона-мишени, после чего ядро распадалось на два. Это был очень важный шаг в понимании ядерных реакций, и за его результаты Блэкетт был удостоен Нобелевской премии по физике в 1948 году. Под руководством Резерфорда началась великая научная эра. Годами ранее Резерфорд предположил, что для проникновения в ядро атома потребуются частицы, ускоренные несколькими миллионами вольт, чтобы соответствовать энергии частиц, удаленных из радиоактивного атома. С этой целью он в течение многих лет подталкивал промышленность своей страны к разработке высоковольтных источников. Однако Джордж Гамов и Норман Фезер в ходе собственных исследований сделали открытие, которое показало, что частицы с более низкой энергией более эффективны при проникновении в ядро атома. Резерфорд ввел в эксплуатацию низковольтный ускоритель частиц с гораздо лучшим потоком частиц. В результате Гилберт Льюис смог экспериментировать с более тяжелым водородом, дейтерием и тритием, и легким гелием (He-3). В результате в 1932 году Резерфорд, австралийский физик Марк Олифант и немецкий химик Пауль Хартек совместными усилиями добились первой термоядерной реакции. Они бомбардировали дейтерий (2H) дейтронами (2H+) для получения трития (3H). Резерфорд надеялся, что ядерное деление, которое может эффективно высвобождать энергию из урана, не будет открыто до тех пор, пока люди не смогут жить в гармонии со своими соседями. Однако это было достигнуто лишь через несколько лет после его смерти.
Читайте также, биографии — Аттила
Эпилог
У Резерфорда было несколько интересов помимо науки, в основном гольф и автоспорт. Он был либералом, но не занимался политической деятельностью, хотя и был членом Консультативного совета Правительственного института научных и промышленных исследований и председателем Вспомогательного академического совета.
За свою жизнь Резерфорд получил множество научных наград и почетных докторских степеней во многих странах, а также гранты от многих обществ и организаций. В его честь было названо несколько зданий, он изображен на почтовых марках четырех разных стран и на банкнотах Новой Зеландии. В его честь назван элемент рутерфордий.
Резерфорд умер в Кембридже в возрасте 66 лет 19 октября 1937 года от осложнений после операции по удалению грыжи и был похоронен в Вестминстерском аббатстве, Лондон. Леди Резерфорд дожила до старости в родной Новой Зеландии в Крайстчерче, где и умерла в 1954 году.
«Это было почти так же невероятно, как обстреливать папиросную бумагу 15-дюймовыми снарядами, а они отскакивали и попадали в меня». (Резерфорд сказал, что его эксперимент стал результатом исследований, которые привели к открытию атомного ядра).
Читайте также, биографии — Клеопатра
Публикации
Источники
