Англійський фізик Ернест Резерфорд

РЕЗЕРФОРД (Rutherford), Ернест

30 серпня 1871 - 19 жовтня 1937 р. Нобелівська премія з хімії, 1908 р. Англійський фізик Ернест Резерфорд народився в Новій Зеландії, неподалік від м. Нельсона. Він був одним з 12 дітей колісного майстра і будівельного робітника Джеймса Резерфорда, шотландця за походженням, і Марти (Томпсон) Резерфорд, шкільної вчительки з Англії. Спочатку Резерфорд відвідував початкову та середню місцеві школи, а потім став стипендіатом Нельсон-коледжу, приватної вищої школи, де виявив себе талановитим студентом, особливо з математики. Завдяки успіхам у навчанні Резерфорд одержав ще одну стипендію, яка дозволила йому вступити до Кентербері-коледж в Крайстчерчі, одному з найбільших міст Нової Зеландії.У коледжі на Резерфорда справили великий вплив його вчителі: викладав фізику та хімію Е.У. Бікертон і математик Дж.Х.Х. Кук. Після того як в 1892 р. Резерфорд був присуджений ступінь бакалавра гуманітарних наук, він залишився в Кентербері-коледжі і продовжив свої заняття завдяки отриманій стипендії з математики. На наступний рік він став магістром гуманітарних наук, краще всіх здавши іспити з математики та фізики. Його магістерська робота стосувалася виявлення високочастотних радіохвиль, існування яких було доведено близько десяти років тому. Для того щоб вивчити це явище, він сконструював радіоприймач (за кілька років до того, як це зробив Гульєльмо Марконі) і з його допомогою одержував сигнали, які передаються колегами з відстані півмилі. У 1894 р. Резерфорд був присуджений ступінь бакалавра природних наук. У Кентербері-коледжі існувала традиція: будь-який студент, що одержав ступінь магістра гуманітарних наук і залишився в коледжі, повинен був провести подальші дослідження й одержати ступінь бакалавра природничих наук. Потім Резерфорд протягом недовгого часу викладав в одній з чоловічих шкіл Крайстчерча. Завдяки своїм незвичайним здібностям до науки Резерфорд був визнаний гідним стипендії Кембриджського університету в Англії, де він займався в Кавендішскій лабораторії, одному з провідних світових центрів наукових досліджень. У Кембриджі Резерфорд працював під керівництвом англійського фізика Дж.Дж. Томсона. На Томсона справило глибоке враження проведене Резерфордом дослідження радіохвиль, і він у 1896 р. запропонував спільно вивчати вплив рентгенівських променів (відкритих роком раніше Вільгельмом Рентгеном) на електричні розряди в газах. Їх співпраця увінчалася вагомими результатами, включаючи відкриття Томсоном електрона - атомної частки, що несе негативний електричний заряд. Спираючись на свої дослідження, Томсон і Резерфорд висунули припущення, що, коли рентгенівські промені проходять через газ, вони руйнують атоми цього газу, вивільняючи однакове число позитивно і негативно заряджених частинок. Ці частинки вони назвали іонами. Після цієї роботи Резерфорд зайнявся вивченням атомної структури. У 1898 р. Резерфорд прийняв місце професора Макгіллского університету в Монреалі (Канада), де почав серію важливих експериментів, що стосуються радіоактивного випромінювання елемента урану. Незабаром він відкрив два види цього випромінювання: випускання альфа-променів, що проникають тільки на коротку відстань, і бета-променів, які проникають на значно більшу відстань. Потім Резерфорд виявив, що радіоактивний торій випускає газоподібний радіоактивний продукт, який він назвав "еманація" (випускання).Подальші дослідження показали, що два інших радіоактивних елементи - радій і актиній - також виробляють еманацію. На підставі цих та інших відкриттів Резерфорд прийшов до двох важливих для розуміння природи радіації висновків: всі відомі радіоактивні елементи випускають альфа-і бета-промені, і, що ще більш важливо, радіоактивність будь-якого радіоактивного елемента через певний конкретний період часу зменшується. Ці висновки дали підставу припускати, що всі радіоактивні елементи належать до одного сімейства атомів і що в основу їх класифікації можна покласти період зменшення їх радіоактивності. Спираючись на подальші дослідження, проведені в Макгіллском університеті в 1901-1902 рр.., Резерфорд і його колега Фредерік Содді виклали основні положення створеної ними теорії радіоактивності. Відповідно до цієї теорії радіоактивність виникає тоді, коли атом відриває частку самого себе, яка викидається з величезною швидкістю, і ця втрата перетворює атом одного хімічного елемента в атом іншого. Висунута Резерфордом і Содді теорія вступала у протиріччя з низкою раніше існуючих уявлень, включаючи визнану всіма довгий час концепцію, згідно з якою атоми є неподільними і незмінними частками. Резерфорд провів подальші експерименти для отримання результатів, які підтвердили вибудовуємо їм теорію. У 1903 р. він довів, що альфа-частинки несуть позитивний заряд. Оскільки ці частки мають вимірної масою, "викидання" їх з атома має вирішальне значення для перетворення одного радіоактивного елемента в інший. Створена теорія дозволила Резерфорд також передбачити, з якою швидкістю різні радіоактивні елементи будуть перетворюватися в те, що він називав дочірнім матеріалом. Науковець переконаний, що альфа-частинки не можна відрізнити від ядра атома гелію. Підтвердження цьому було отримано, коли Содді, що працював тоді з англійським хіміком Вільямом Рамзаєм, відкрив, що еманація радію містить гелій, передбачувану альфа-частинку. В 1907 р. Резерфорд, прагнучи перебувати ближче до центру наукових досліджень, зайняв пост професора фізики в Манчестерському університеті (Англія). За допомогою Ганса Гейгера, який згодом прославився як винахідник лічильника Гейгера, Резерфорд створив у Манчестері школу по вивченню радіоактивності. У 1908 р. Резерфорд була присуджена Нобелівська премія з хімії "за проведені ним дослідження в області розпаду елементів у хімії радіоактивних речовин". У своїй вступній промові від імені Шведської королівської академії наук К.Б. Хассельберг вказав на зв'язок між роботою, проведеною Резерфордом, і роботами Дж.Дж. Томсона, Анрі Беккереля, П'єра і Марії Кюрі. "Відкриття привели до приголомшливому висновку: хімічний елемент ... здатний перетворюватися в інші елементи ", - сказав Хассельберг. У своїй Нобелівській лекції Резерфорд відзначив: "Є всі підстави вважати, що альфа-частинки, які так вільно викидаються з більшості радіоактивних речовин, ідентичні за масою і складу і повинні складатися з ядер атомів гелію. Ми, отже, не можемо не прийти до висновку, що атоми основних радіоактивних елементів, таких, як уран і торій, повинні будуватися, принаймні частково, з атомів гелію ".Після отримання Нобелівської премії Резерфорд зайнявся вивченням явища, яке спостерігалося при бомбардуванні пластинки тонкої золотої фольги альфа-частинками, випромінюваними таким радіоактивним елементом, як уран. Виявилося, що за допомогою кута відбиття альфа-частинок можна вивчати структуру стійких елементів, з яких складається платівка. Згідно з прийнятими тоді уявленням, модель атома була подібна до пудингу з родзинками: позитивні і негативні заряди були рівномірно розподілені усередині атома і, отже, не могли значною мірою змінювати напрямок руху альфа-часток. Резерфорд, однак, зауважив, що певні альфа-частинки відхилялися від очікуваного напрямку в значно більшій мірі, ніж це допускалося теорією. Працюючи з Ернестом Марсденом, студентом Манчестерського університету, учений підтвердив, що досить велика кількість альфа часток відхиляється далі, ніж очікувалося, причому деякі під кутом більше ніж 90 градусів. Розмірковуючи над цим явищем, Резерфорд в 1911 р. запропонував нову модель атома. Відповідно до його теорії, яка сьогодні стала загальноприйнятою, позитивно заряджені частинки зосереджені у важкому центрі атома, а негативно заряджені (електрони) знаходяться на орбіті ядра, на досить великій відстані від нього. Ця модель, подібна до крихітної моделі Сонячної системи, має на увазі, що атоми складаються головним чином з порожнього простору. Широке визнання теорій Резерфорда почалося з 1913 р., коли до роботи вченого в Манчестерському університеті підключився датський фізик Нільс Бор. Бор показав, що в термінах пропонованої Резерфордом структури можуть бути пояснені загальновідомі фізичні властивості атома водню, а також атомів декількох більш важких елементів. Коли вибухнула перша світова війна, Резерфорд був призначений членом громадянського комітету Управління винаходів і досліджень британського Адміралтейства і вивчав проблему визначення місцезнаходження підводних човнів за допомогою акустики. Після війни він повернувся до манчестерську лабораторію і в 1919 р. зробив ще одне фундаментальне відкриття. Вивчаючи структуру атомів водню за допомогою бомбардування їх альфа-частками, що володіють високою швидкістю, він помітив на своєму детекторі сигнал, який можна було пояснити як результат того, що ядро атома водню почало рухатися внаслідок зіткнення з альфа часткою. Однак точно такий же сигнал з'являвся й коли вчений замінив атоми водню атомами азоту. Резерфорд пояснив причину цього явища тим, що бомбардування викликає розпад стійкого атома. Тобто в процесі, аналогічному природно, що відбувається розпаду, який викликається радіацією, альфа частка вибиває єдиний протон (ядро атома водню) зі стійкого при нормальних умовах ядра атома азоту й надає йому жахливу швидкість. Ще одне свідчення на користь такого тлумачення цього явища було отримано в 1934 р., коли Фредерік Жоліо і Ірен Жоліо-Кюрі відкрили штучну радіоактивність.У 1919 р. Резерфорд перейшов до Кембріджського університету, ставши наступником Томсона як професор експериментальної фізики і директора Кавендішской лабораторії, а в 1921 зайняв посаду професора природничих наук у Королівському інституті в Лондоні. У 1930 р. Резерфорд був призначений головою урядового консультативної ради Управління наукових і промислових досліджень. Перебуваючи на вершині своєї кар'єри, вчений залучав до роботи у своїй лабораторії в Кембриджі багато талановитих молодих фізиків, у т.ч. П.М. Блекетт, Джона Кокрофт, Джеймса Чедвіка та Ернеста Уолтона. Незважаючи на те, що в самого Резерфорда залишалося через це менше часу на активну дослідницьку роботу, його глибока зацікавленість у проведених дослідженнях і чітке керівництво допомагали підтримувати високий рівень робіт, здійснюваних у його лабораторії. Учні та колеги згадували про вченого як про милого, добру людину. Поряд із властивим йому як теоретику даром передбачення Резерфорд мав практичної жилкою. Саме завдяки їй він був завжди точний у поясненні явищ, що спостерігаються, якими б незвичайними вони на перший погляд не здавалися. Стурбований політикою, що проводиться нацистським урядом Адольфа Гітлера, Резерфорд в 1933 р. став президентом Академічної ради допомоги, який був створений для надання сприяння тим, хто втік з Німеччини. У 1900 р., під час короткої поїздки в Нову Зеландію, Резерфорд одружився на Мері Ньютон, яка народила йому дочку. Майже до кінця життя він відрізнявся міцним здоров'ям і вмер у Кембриджі в 1937 р. після нетривалої хвороби. Резерфорд похований у Вестмінстерському абатстві неподалік від могил Ісаака Ньютона й Чарльза Дарвіна. У числі отриманих Резерфордом нагород медаль Румфорда (1904) і медаль Коплі (1922) Лондонського королівського товариства, а також британський орден "За заслуги" (1925). У 1931 р. ученому був подарований титул пера. Резерфорд був визнаний гідним почесних ступенів Новозеландського, Кембриджського, Вісконсінського, Пенсильванського і Макгіллского університетів. Він був членом-кореспондентом Геттінгенського королівського товариства, а також членом Новозеландського філософського інституту, Американського філософського товариства. Академії наук Сент-Луї, Лондонського королівського товариства і Британської асоціації сприяння розвитку науки.