Эрнест резерфорд

Университет Манчестера

В Северной Америке было хорошее научное сообщество, но мировой центр физики находился в Европе. Эрнест Резерфорд, Нобелевская премия по химии которому за его работу в Монреале была присуждена в 1908 г., годом ранее устроился на кафедру университета Манчестера, чья лаборатория уступала только Кавендишской.

Совместно с немецким физиком Гансом Гейгером Эрнест Резерфорд создал электрический счетчик ионизированных частиц. Усовершенствованный Гейгером, счетчик стал универсальным инструментом для измерения радиоактивности. Благодаря мастерству стеклодува Резерфорд и его ученик Томас Ройдс выделили некоторые α-частицы и выполнили их спектрохимический анализ, который доказал, что они являются ионами гелия. Затем Болтвуд посетил лабораторию университета Манчестера, и вместе с новозеландским физиком они уточнили скорость образования гелия из радия, из которой они вычислили точное значение числа Авогадро.

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.

Детство и юность

Эрнест родился в Новой Зеландии, в Спринг-Груве, рядом с городом Нелсон 30 августа 1871 года и был британцем по национальности. Отец, шотландец по происхождению, зарабатывал колесным ремеслом, а мать преподавала в сельской школе. Ребенок рос в многодетной семье с 6 братьями и 5 сестрами.

Первым рабочим местом для него стало деревообрабатывающее предприятие, основанное отцом. Полученные в детстве знания и навыки будущий ученый использовал в дальнейшем для создания оборудования, необходимого при физических опытах.

Памятник Эрнесту Резерфорду в детстве / Alan Liefting, Википедия

Эрнест учился в Хавелоке, а в 1887-м получил стипендию, позволившую продолжить образование в Нелсоне. Юноша демонстрировал большую тягу к знаниям и интерес ко всему, что его окружает. Он поступил в Кентерберийский колледж и начал углубляться в химию и физику. Педагоги быстро оценили потенциал ученика. Через 4 года Резерфорда наградили за лучшую работу по математике и физике. В 1892-м Эрнест стал магистром искусств и занялся исследованиями, подкрепляя их опытами.

Его первый труд называется «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах». Эксперименты были связаны с исследованием высокочастотных радиоволн. Ученый сконструировал радиоприемник, опередив его официального создателя Маркони. Устройство Резерфорда оказалось первым в мире магнитным детектором.

Эрнест Резерфорд в молодости / Википедия

С его помощью Эрнест получал сигналы, которые коллеги передавали, находясь в полумиле от него. Полученные сведения он описал в научной статье для газеты «Известия философского института Новой Зеландии» в 1894 году.

В 1895-м Резерфорд получил высочайшую награду: грант на обучение в Великобритании. Такой шанс выпадал редкому английскому подданному. Эрнест оказался в числе 2 счастливчиков, между которыми предстояло сделать выбор, и ему повезло: соперник не смог отправиться в поездку. Физик воспользовался возможностью и стал в Англии сотрудником Кавендишевской лаборатории.

Теория превращений

Резерфорду потребовалась помощь эксперта-химика, чтобы справиться с ростом числа радиоактивных элементов. Он привлек Фредерика Содди из Макгилла, Бертрама Бордена Болтвуда, профессора Йельского университета, и Отто Гана, научного сотрудника из Германии. С Содди в 1902–1903 гг. он разработал теорию преобразований, объясняющую явление радиоактивности. Алхимия с ее попытками превращения свинца в золото давно была изгнана из современной химии. Атомы считались стабильными. Но Резерфорд и Содди утверждали, что энергия радиоактивности исходит из них, и спонтанное испускание α- или β-частиц означает химическое превращение одного элемента в другой. Они ожидали, что эта иконоборческая теория будет опровергаться, но авторитет множества экспериментальных доказательств подавил оппозицию.

Вскоре было установлено, что радиоактивные элементы делятся на три ряда, возглавляемые ураном, торием и актинием, и все они ведут к образованию неактивного свинца. Болтвуд поместил радий в группу урана и, следуя совету Резерфорда, использовал медленно растущее количество свинца в минерале, чтобы показать, что возраст пород исчисляется миллиардами лет. Последний считал, что альфа-частица, обладающая ощутимой массой, играет ключевую роль в преобразовании элементов. Он определил, что она несет положительный заряд, но не смог установить, является ли она ионом водорода или гелия.

Манчестер, 1907-1919: атомное ядро

В 1907 году он получил должность профессора Манчестерского университета, где работал с Хансом Гейгером, вместе с которым изобрел счетчик, позволяющий обнаруживать альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами (проект будущего счетчика Гейгера ), потому что ионизируя газ в устройстве, они производят заметный разряд.

Эрнест Резерфорд в 1908 году

В году вместе с одним из своих учеников Томасом Ройдсом он окончательно доказал то, что предполагалось, а именно, что альфа-частицы действительно являются ядрами гелия . Или, скорее, что альфа-частицы являются атомами гелия, когда лишены их отрицательного заряда. Чтобы доказать это, он изолирует радиоактивное вещество в материале, достаточно тонком, чтобы альфа-частицы действительно проходили через него, но так, чтобы оно блокировало любое «излучение» радиоактивных элементов, то есть любой продукт распада. Затем он собирает газ, который находится вокруг ящика, содержащего образцы, и анализирует его спектр. Затем он находит там большое количество гелия: ядра, являющиеся альфа-частицами, восстановили доступные электроны.

В том же году он получил Нобелевскую премию по химии «за свои исследования, касающиеся распада элементов и химии радиоактивных веществ» . Однако он сохраняет некоторое разочарование, потому что считает себя прежде всего физиком. Одна из его известных цитат: «Наука — это либо физика, либо коллекционирование марок», вероятно, имея в виду, что он поставил физику выше других наук.

В 1911 году он внес свой величайший вклад в науку, открыв атомное ядро . Он наблюдал в Монреале, что, бомбардируя тонкий лист слюды альфа-частицами, мы получали отклонение этих частиц. Гейгер и Марсден, повторяя эти эксперименты с использованием золотой фольги, обнаружили, что некоторые альфа-частицы отклоняются более чем на 90  градусов. Затем Резерфорд предполагает, что в центре атома должно быть «ядро», содержащее почти всю массу и весь положительный заряд атома, причем электроны фактически определяют размер атома. Впоследствии Гейгер и Марсден подтвердили эти выводы экспериментально.

Эта планетарная модель была предложена в 1904 году японцем Хантаро Нагаока, но осталась незамеченной: было высказано возражение, что электроны должны были излучать, вращаясь вокруг центрального ядра, и, следовательно, падать туда. Результаты Резерфорда показали, что эта модель, несомненно, верна, поскольку она точно предсказывала скорость диффузии альфа-частиц как функцию угла диффузии и размера атома. Последние теоретические возражения против электронного излучения упали с появлением квантовой теории и адаптации Нильсом Бором модели Резерфорда к теории Планка, тем самым продемонстрировав стабильность атома Резерфорда.

В начале Первой мировой войны Резерфорд сосредоточился на акустических методах обнаружения подводных лодок. Когда война закончилась, в 1919 году, после наблюдения за протонами, образующимися при бомбардировке водорода альфа-частицами (путем наблюдения сцинтилляций, которые они производят на экранах, покрытых сульфидом цинка ), он понимает, что получит намного больше этих сцинтилляций, если сделает это. Тот же эксперимент с воздухом, а лучше с чистым азотом . Затем он делает вывод, что альфа-частицы, сталкиваясь с атомами азота, образовали протон. Однако он не знал, что случилось с остаточным ядром. Он сделал некоторые предположения, но они оказались неверными.

Резерфорд перечислил эти предположения в своей бейкерской лекции «Ядерная конституция атомов», выпущенной 3 июня 1920 года. В 1919 году он поручил задачу идентификации остаточного ядра Патрику Блэкетту, исследователю, работавшему под руководством Резерфорда. В течение пяти лет Блэкетт проводил эксперименты и в конце концов сделал правильную интерпретацию ядерной реакции и остаточного ядра — кислорода. Блэкетт опубликовал свои эксперименты, анализ и выводы в 1925 году. Блэкетт только что произвел первую в истории искусственную трансмутацию.

Монреаль, 1898-1907: радиоактивность

В 1898 году, в возрасте 26 лет, после трех лет в Кембридже, ему предложили кафедру физики в Университете Макгилла в Монреале, на которую он поспешил принять, увидев возможность сделать это. его в Новой Зеландии . Он прибыл в Монреаль немного позже, в возрасте 27 лет.

Беккерель в это время (1896 г.) обнаружил, что уран испускает неизвестное излучение, «урановое излучение».

Резерфорд опубликовал важную статью в 1899 году, в которой изучал, как это излучение ионизирует воздух, помещая уран между двумя заряженными пластинами и измеряя ток, проходящий через него. Таким образом, он изучает проникающую способность излучения, покрывая свои урановые образцы металлическими листами разной толщины.

Он замечает, что ионизация начинается с очень быстрого уменьшения с увеличением толщины листов, а затем, после определенного порога, очень медленно уменьшается.

Он приходит к выводу, что уран испускает два разных излучения, потому что у него разные проникающие способности. Он называет наименее проникающее излучение альфа-излучением, а наиболее проникающее излучение (которое обязательно вызывает меньшую ионизацию, поскольку оно проходит через воздух) бета-излучением .

В 1900 году Резерфорд женился на Мэри Ньютон (1876-1945); их единственная дочь Эйлин родилась от этого брака в 1901 году.

В это время Резерфорд изучал торий и обнаружил, используя то же устройство, что и для урана, что открытие двери в лаборатории заметно нарушило эксперимент, как будто движение воздуха в опыте могло расстроить ее. Вскоре он приходит к выводу, что торий испускает эманацию, также радиоактивную, поскольку, всасывая воздух, окружающий торий, он понимает, что этот воздух легко пропускает ток даже на большом расстоянии от тория.

Он также отмечает, что эманации тория остаются радиоактивными только около десяти минут и являются нейтральными частицами. Их радиоактивность не нарушается никакими химическими реакциями или изменением условий (температуры, электрического поля). Он даже обнаруживает, что радиоактивность этих частиц уменьшается экспоненциально, поскольку ток, проходящий между электродами, делает то же самое, и, таким образом, обнаруживает в 1900 году период радиоактивных элементов.

С помощью химика из Монреаля Фредерика Содди в 1902 году он пришел к выводу, что эманации тория действительно являются радиоактивными атомами, но не торием, и поэтому радиоактивность сопровождается распадом элементов.

Это открытие вызвало большой резонанс среди химиков, которые были очень привязаны к концепции неразрушимости материи. Именно на этой концепции была построена большая часть науки того времени. Поэтому это открытие — настоящий переворот; но качество работы Резерфорда не могло оставить никаких сомнений. Сам Пьер Кюри не принял эту идею до тех пор, пока два года спустя он уже наблюдал с Марией Кюри, что радиоактивность сопровождается потерей массы в образцах (он думал, что атомы теряют вес без изменения природы).

Работа Резерфорда была признана в 1903 году Королевским обществом, который наградил его медалью Румфорда в 1904. Он обобщил результаты своих исследований в книге под названием Радиоактивность в 1904 году, где он объяснил, что радиоактивность не был ни влиянием, ни внешних условий давления и температуры, ни за счет химических реакций, и что он производит гораздо большее тепловыделение, чем при химической реакции. Он также объясняет, что возникают новые элементы, имеющие разные химические характеристики, а радиоактивные элементы исчезают.

С Содди, он считает, что выделение энергии из — за ядерные распады 20000 до 100000  раз больше, чем то, что бы в результате химической реакции. Он также выдвигает идею, что такая энергия может объяснить энергию, излучаемую Солнцем. Вместе с Раттом он считает, что если Земля поддерживает постоянную температуру (по крайней мере, в том, что касается ее ядра), это, несомненно, связано с реакциями распада, которые происходят внутри нее.

Эта идея большой потенциал, содержащийся в энергии атомов является один год после того, как теоретического подтверждения, начиная с открытия Эйнштейна из эквивалентности массы и энергии . После этой работы Отто Хан, открыватель ядерного деления, на несколько месяцев приехал учиться у Резерфорда в МакГилл.

Еще в 1903 году он начал задавать себе вопросы о точной природе альфа-излучения; заставляя их проходить через электрические и магнитные поля, он определяет их скорость, (положительный) знак их заряда и соотношение между их зарядом и их массой. Это путь, который приведет его к самым известным его произведениям.

Находясь в Макгилле, он опубликовал около 80 статей и изобрел множество устройств, не связанных с ядерной физикой.

Интересные факты

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». В советских биографических очерках существует другая версия: «Дело в том, что у Резерфорда был громкий голос и он не умел управлять им. Могучий голос метра, встретившего кого-нибудь в коридоре,предупреждал тех, кто находился в лабораториях, о его приближении, и сотрудники успевали “собраться с мыслями”. Это дало Капице основание прозвать Резерфорда Крокодилом. Объясняют это ассоциацией с героем популярной детской книжки Крокодилом, который проглотил будильник. Его тиканье предупреждало детей о приближении страшного зверя.» (Ф. Кедров. Капица: жизнь и открытия. М.: Московский рабочий. 1979)

• 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 погрешности». В действительности же Капицу взяли в лабораторию благодаря рекомендации физика Иоффе[источник не указан 2254 дня].

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.)

Опыты Резерфорда

В 1913 г. английский физик Резерфорд проделал классические опыты по рассеянию  a-частиц тонкими слоями различных веществ. a-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, являются подходящими пробными зарядами для исследования внутриатомных электрических полей. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия, имеют положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду (q = 3.2·10-19 Кл), массу m = 6.67·10-27кг, обладают высокой энергией (а значит и скоростью), достаточной для проникновения в атомы вещества.

Схема опытов Резерфорда и его учеников Гейгера и Марсдена изображена на рис.1.Внутри герметичной камеры, в которой был создан высокий вакуум, находился свинцовый контейнер с радиоактивным элементом, испускавшим a-частицы. Узкий пучок частиц падал перпендикулярно на поверхность металлической (золотой) фольги, толщиной около 1 мкм (10-6м). Регистрация частиц производилась по вспышкам света (сцинтилляциям), вызываемыми ими на экране, покрытом люминофором. Экран был укреплен перед объективом на корпусе микроскопа, с помощью которого визуально наблюдали сцинтилляции и подсчитывали их число. Так определяли количество частиц, движущихся по данному направлению после их взаимодействия с атомами вещества. Микроскоп вместе с экраном мог вращаться вокруг вертикальной оси, походящей через центр камеры, для регистрации рассеянных атомами фольги  частиц.

(рис.1)

На рисунке: 1- атом золота, 2- a-частицы

Более наглядная схема опыта Резерфорда

Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц.

K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом,Э – экран, покрытый сернистым цинком,Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

Результаты опытов Резерфорда:

1.большинство частиц проходит через атомы вещества. не рассеиваясь (как через «пустоту»); 2.с увеличением угла рассеяния число отклонившихся от первоначального направления частиц резко уменьшается; 3.имеются отдельные частицы, отбрасываемые атомами назад, против их первоначального движения (как мяч от стенки).

Резерфорд вывел формулу, по которой можно рассчитать количество a-частиц, рассеянных под определенными углами. В эту формулу входит характеристический параметр «d «, являющийся поперечным размером образований, отклоняющих  частицы. Для совпадения расчетов с результатами опытов это параметр должен быть порядка 10-13 см. Атомы имеют диаметр 10-8 см, т.е. на пять порядков выше. Следовательно, в атоме имеется область занимающая ничтожно малую часть атома, которая и отклоняет частицы на большие углы вплоть до 180.

Научная деятельность

В Британии научная биография Эрнеста Резерфорда складывалась как нельзя лучше.

В университете ученый стал первым докторантом его ректора Джозефа Томсона. В это время парень занимался исследованием ионизации газов под воздействием рентгена.

Эрнест Резерфорд в молодости

В 27-летнем возрасте Резерфорд увлекся изучением уранового радиоактивного излучения – «лучи Беккереля». Любопытно, что вместе с ним опыты по радиоактивному излучению также проводили Пьер и Мария Кюри.

Позже Эрнест начал глубоко исследовать период полураспада, который уточнял характеристику веществ, открыв тем самым процесс полураспада.

В 1898 г. Резерфорд перешел работать в университет Макгилла, находившейся в Монреале. Там он начал тесно сотрудничать с английским радиохимиком Фредериком Содди, который на то время был простым лаборантом химфакультета.

В 1903 г. Эрнест и Фредерик представили научному миру революционную идею о преобразовании элементов в процессе радиоактивного распада. Вскоре они также сформулировали законы превращений.

Позже их идеи дополнил Дмитрий Менделеев с помощью периодической системы. Таким образом стало ясно, что химические свойства вещества зависят от заряда ядра его атома.

В период биографии 1904-1905 гг. Резерфорд опубликовал два труда – «Радиоактивность» и «Радиоактивные превращения».

В своих работах ученый заключил, что атомы представляют собой источник радиоактивного излучения. Он провел немало экспериментов по просвечиванию золотой фольги альфа-частицами, наблюдая за потоками частиц.

Эрнест Резерфорд был первым, кто выдвинул идею о строении атома. Он предположил, что атом имеет форму капли с положительным зарядом, с находящимся внутри него отрицательно заряженными электронами.

Позже физик сформулировал планетарную модель атома. Однако данная модель шла вразрез с законами электродинамики, выведенными Джеймсом Максвеллом и Майклом Фарадеем.

Ученым удалось доказать, что ускоренно движущийся заряд лишается энергии вследствие электромагнитного излучения. По этой причине, Резерфорду пришлось продолжить усовершенствовать свои идеи.

В 1907 г. Эрнест Резерфорд обосновался в Манчестере, где устроился работать в университете Виктории. В следующем году он совместно с Хансом Гейгером изобрел счетчик альфа-частиц.

Эрнест Резерфорд за работой

Позже Резерфорд начал сотрудничать с Нильсом Бором, который являлся автором теории квантов. Физики пришли к выводу, что электроны движутся вокруг ядра по орбите.

Их новаторская модель атома стала прорывом в науке, побудив все научное сообщество пересмотреть свои взгляды на материю и движение.

В возрасте 48 лет Эрнест Резерфорд стал профессором Кембриджского университета. На тот момент биографии он пользовался большим авторитетом в обществе и имел множество престижных наград.

В 1931 г. Резерфорд удостоился звания барона. В то время он ставил опыты по расщеплению ядра атома и превращению химических элементов. Кроме этого, он исследовал взаимосвязь массы и энергии.

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.

Университет Макгилла

Как же дальше складывалась жизнь и карьера такого ученого, как Эрнест Резерфорд? Биография физика гласит, что вскоре ему была предложена должность профессора в канадском университете Макгилла в Монреале, который мог похвалиться одной из наиболее оснащенных лабораторий в Западном полушарии

Обратив свое внимание на один из нескольких известных тогда радиоактивных элементов, он и его коллега обнаружили, что торий выделяет газообразный продукт, который ученый назвал «эманацией». Он, в свою очередь, оставлял твердые отложения, которые вскоре были преобразованы в торий А, B, C и т

д. Любопытно, что после химической обработки некоторые вещества теряли свои радиоактивные свойства, но в итоге восстанавливали их, в то время как другие материалы, изначально сильные, постепенно теряли активность. Это привело к концепции полураспада – интервала времени, необходимого для распада половины атомных ядер образца, находящегося в диапазоне от нескольких секунд до миллиардов лет, уникального для каждого радиоактивного элемента и, следовательно, являющегося отличным средством их идентификации.