Резерфорд нобелевская премия за что
Эрнест Резерфорд
английский физик, «отец» ядерной физики, создатель планетарной модели атома
Эрнест Резерфорд
Эрнест Резерфорд (англ. Ernest Rutherford) родился 30 августа 1871 года в Спринг-Грув (Новая Зеландия). Окончил Кентерберийский колледж и к 23 годам получил степени бакалавра гуманитарных и естественных наук, магистра гуманитарных наук. А через год был направлен на обучение в Кембриджском университете в Англии, где он провел 3 года как студент-исследователь под руководством Дж.Томсона, одного из ведущих ученых того времени.
В 1898 году Резерфорд стал профессором физики Макгильского университета в Канаде, а в 1907 году вернулся в Англию, чтобы возглавить физический факультет Манчестерского университета. В 1919 году Резерфорд вернулся в Кембридж, на этот раз как директор Кавендишской лаборатории, и оставался на этом посту до конца жизни.
В 1899 году он открыл Альфа– и Бета-излучения, и через год ввел понятие периода полураспада. В 1903 году вместе с Ф.Содди разработал теорию радиоактивного распада, которую обосновал экспериментально, и установил закон превращений радиоактивных элементов. Доказал, что Альфа-излучение – это поток положительно заряженных частиц, а затем установил закон рассеяния Альфа-частиц на атомах различных элементов (формула Резерфорда).
Эти эксперименты привели его в 1911 году к созданию новой модели строения атома – планетарной. Вскоре Резерфорд выдвинул идею об искусственном превращении атомных ядер, которую в 1919 году первым подтвердил экспериментально.
Резерфорд – лауреат Нобелевской премии по химии (1908) за исследования по превращению элементов и химии радиоактивных веществ, член многих академий наук и научных обществ, член Лондонского королевского общества и его президент в 1925-1930 годах.
Эрнест создал большую школу физиков, среди его учеников О.Ган, Г.Мозли, Дж.Червик, Д.Хевеши. У него учились известные советские физики П.Капица, Ю.Харитон и др. Награжден «Орденом за заслуги», медалями Румфорда и Копли, в 1931 году стал пэром Англии, получив титул лорда Нельсона.
Умер Эрнест Резерфорд 19 октября 1937 года в Кембридже, не дожив всего нескольких лет до открытия деления урана немецкими физиками О.Ганом и Л.Майтнером. Был похоронен в Вестминстерском аббатстве неподалеку от могил И.Ньютона и Ч.Дарвина.
Сэр Эрнест Резерфорд и его открытия
Как лауреат премии в области химии, физик Резерфорд, открывший так называемые альфа- и бета- излучения радиоактивных элементов, понимал, что в названии его Нобелевской лекции должно быть слово “химический”, и он придумал такое название: “О химической природе альфа-частиц радиоактивных веществ”.
Но в своем тосте на банкете в королевском дворце в Стогольме не удержался и сказал: “Я имел дело со многими разнообразными превращениями, которые изучал в разные годы, но самым замечательным превращением было то, что я в один миг из физика превратился в химика”.
То, что Резерфорд получил Нобелевскю премию не по физики, а по химии, по-видимому, задевало его. Известно его высказывание тех времен:
All science is either physics or stamp collecting,
что можно перевести так:
Наука либо физика, либо собирание марок.
Как-то представляя аудитории своего молодого друга, голландского ученого Петера Дебая(1884-1966), блестяще работающего на стыке физики и химии твердых тел и газов, Резерфорд сказал:
— Хотя он химик, он неплохой парень.
С 1909 года сотрудники Резерфорда, Ханс Гейгер(1882-1945), который до этого изобрел счетчик заряженных частиц, в том числе альфа-частиц, и Эрнест Марсден(1889-1970), по подсказке шефа начали прощупывать структуру атома, облучая пластинки из золота и других материалов альфа-частицами и регистрируя прохождение последних. Результатом этих экспериментов стало эпохальное открытие существования сверхплотного положительно заряженного точечного атомного ядра, а затем умозрительное построение Резерфордом планетарной модели атома, значительно более близкое к истине, чем модель атома, предложенная до этого, другим мастером английской школы физического эксперимента, Дж.Дж. Томсоном(1856-1940), открывшим электрон.
Казалось бы, что Резерфорд должен был быть удостоен второй Нобелевской премии, уже по физике, тем более, что прецедент в лице Марии Кюри(1867-1934), дважды награжденной Нобелевской премией(по физике в 1903г. и по химии в 1911г.) призывал к награждению.
Но нобелевский комитет, с самого начала своего основания, был склонен «проверять временем» открытия, в которые, сначала, просто надо было уверовать.
Более того, уже к 20-ому году соотечественникам Резерфорда, Френсису Астону(1877-1945) и Артуру Эддингтону(1882-1944) стало ясно, что колоссальное тепловое излучение Солнца обусловлено непрерывным образованием в его центре ядер гелия из ядер водорода. При таком синтезе, из-за «жесткой упаковки», часть массы ядер водорода превращается в энергию, согласно знаменитой формуле Эйнштейна. Эта энергия, путем конвекции, достигает поверхности Солнца и непрерывно излучается уже миллиарды лет.
С другой стороны, перегруженные атомные ядра последних естественных элементов таблицы Менделеева,проявляющие себя в феномене радиоактивности, таили в себе, уже в результате распада ядер, возможность цепной реакции также с выходом колоссальной энергии.
Как это не покажется странным, но Резерфорд, следя за развитием своего открытия атомного ядра, стал на позицию недоступности ядерной энергии для практического использования и в своих публичных выступлениях, до конца жизни, жестко отстаивал эту позицию, называя противоположную точку зрения чушью.
Эрнест Резерфорд
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 Кентербери-колледже в Крайстчёрче (ныне Новозеландский университет). В те времена это был маленький университет со 150 студентами и всего 7 профессорами. Резерфорд увлекается наукой и с первого дня начинает исследовательскую работу.
Закончив университет в 1894 году, Резерфорд в течение года был преподавателем в средней школе.
Резерфорд планировал заниматься детектором радиоволн или волн Герца, сдать экзамены по физике и получить степень магистра. Но в следующем году оказалось, что государственная почта Великобритании выделила деньги Маркони на эту же самую работу и отказалась её финансировать в Кавендишской лаборатории. Так как стипендии не хватало даже на еду, Резерфорд вынужден был начать работать репетитором и ассистентом у Дж. Дж. Томсона по теме изучения процесса ионизации газов под действием рентгеновских лучей. Вместе с Дж. Дж. Томсоном Резерфорд открывает явление насыщения тока при ионизации газа.
В 1898 году Резерфорд открывает альфа- и бета-лучи. Спустя год Поль Вийяр открыл гамма-излучение (название этого типа ионизирующего излучения, как и первых двух, предложено Резерфордом).
С лета 1898 года учёный делает первые шаги в исследовании только что открытого явления радиоактивности урана и тория. Осенью Резерфорд по предложению Томсона, преодолев конкурс в 5 человек, занимает должность профессора университета Макгилла в Монреале (Канада) с окладом 500 фунтов стерлингов или 2500 канадских долларов в год. В этом университете Резерфорд плодотворно сотрудничает с Фредериком Содди, в то время младшим лаборантом химического факультета, впоследствии (как и Резерфорд) нобелевским лауреатом по химии (1921 г.). В 1903 году Резерфорд и Содди выдвинули и доказали революционную идею о преобразовании элементов в процессе радиоактивного распада.
В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».
В 1914 году Резерфорд удостоен дворянского титула и становится «сэром Эрнстом». 12 февраля в Букингемском дворце король посвятил его в рыцари: он был облачён в придворный мундир и препоясан мечом.
Научные достижения Резерфорда:
Согласно воспоминаниям П. Л. Капицы, Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, которая характерна стремлением разобраться в сути физического явления и проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориями (в отличие от «немецкой» школы экспериментаторов, которая исходит из существующих теорий и стремится проверить их опытом).
Резерфорд написал и опубликовал три тома работ. Все они носят экспериментальный характер:
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.
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 он определил отношение её заряда к массе. Оказалось, что на один элементарный заряд приходятся две атомные единицы массы.
Кроме того, Резерфорд уточнил на 30% отношение заряда электрона к его массе.
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.
Выкачивая воздух из сосуда с торием, Резерфорд выделил эманацию тория (газ, известный сейчас как торон или радон-220, один из изотопов радона) и исследовал её ионизирующую способность. Было выяснено, что активность этого газа каждую минуту убывает вдвое.
Изучая зависимость активности радиоактивных веществ от времени, учёный открыл закон радиоактивного распада.
Позднее Резерфорд признался, что когда предложил своим ученикам провести эксперимент по рассеиванию альфа-частиц на бо́льшие углы, он сам не верил в положительный результат.
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.
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».
Интересно, что Резерфорд, открывший ядро атома, скептически отзывался о перспективах ядерной энергетики: «Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор».
Нобелевские лауреаты: Эрнест Резерфорд
Памятник юному Резерфорду в Новой Зеландии
Тем не менее, Рубикон был перейден (так он писал своей невесте), деньги на пароход заняты и с прототипом детектора радиоволн (примерно то же самое делали Маркони и Попов) Резерфорд отправился в Англию. Дальше разрабатывать детектор ему не дали — все деньги почта Британии поставила на Маркони (тоже нобелевский лауреат, кстати). И новозеландец записался в Кавендишевскую лабораторию при Кембридже.
Кстати, Кавендишевская лаборатория названа не по имени химика Генри Кавендиша (который был 2-м герцогом Девонширским), а по имени 7-го герцога, Уильяма Кавендиша, канцлера Кембриджа, который пожертвовал денег на открытие лаборатории. Такой себе английский мегагрант. Между прочим, весьма успешный: на настоящий момент 29 сотрудников этого проекта получили Нобелевские премии (включая нашего Капицу).
Резерфорд стал докторантом у самого Джи-Джи (Дж. Дж. Томсона), первооткрывателя электрона (Томсон — лауреат «физического нобеля» 1906 г., не за электрон, а за исследования прохождения токов в газах). И дальше можно просто перечислять лишь основные достижения Резефорда — великого экспериментатора и физика (доктор Эндрю Бальфур дал едкое определение-признание Резерфорду: «Мы заполучили дикого кролика из страны антиподов и он роет глубоко»).
Вместе с Джи-Джи он изучал ионизацию газов рентгеновским излучением. В 1898 г. он показал, что радиоактивное излучение — сложная штука, и выделил из него «альфа-лучи» и «бета-лучи». Сейчас мы знаем, что это — ядра гелия и электроны. Кстати, химической природе альфа-лучей посвящена Нобелевская лекция Резерфорда[1].
Схема опыта по обнаружению сложного состава радиоактивного излучения. 1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый цилиндр, 3 — фотопластинка
В 1901 — 1903 гг. вместе с будущим нобелиатом по химии 1921 г., Фредериком Содди открыл естественные превращения элементов при радиоактивном распаде (за это Резерфорд и получил «нобеля»). При этом была открыта «эманация тория» — газообразный радон-220 и сформулирован закон радиоактивного распада. Дальше — больше. В 1908 г. вместе с учеником Гансом Гейгером (тоже нобелиатом) он создает счетчик альфа-частиц (счетчик Гейгера) — и в том же году получает нобелевскую премию.
Во время Первой мировой войны Резерфорд работает над детектированием вражеских подлодок (Резерфорд — «офицер связи»), и одновременно, в 1917 г. начинает эксперименты по искусственному превращению элементов. Два года спустя эти эксперименты успешно завершились: в 1919 году в том же журнале Philosophical Magazine, где он с Содди рассказал [2] о превращении элементов при естественном радиоактивном распаде вышла статья «Аномальный эффект в азоте», в которой сообщалось о первом искусственном превращении элементов).
Превращение азота в кислород
Но самое важное наследие сэра Эрнеста, это, конечно, его школа. 12 учеников его стали нобелевскими лауреатами — об одном из них мы уже писали в первом выпуске нашего цикла. Капица был действительно любимым и лучшим учеником Резерфорда в послевоенный период. Как мы уже говорили, именно он дал прозвище «Крокодил» шефу. Как пояснял сам Капица, это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать Резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперед, а в России на крокодила смотрят со смесью ужаса и восхищения.
Крокодил на стене Кавендишевской лаборатории
Ну а закончить мне хочется словами субдекана Вестминстерского аббатства во время службы по усопшему барону Резерфорду Нельсону, понятно к кому обращенными: «Мы благодарим Тебя за труды и дни брата нашего Эрнеста».
Сын фермера, ставший великим учёным и нобелевским лауреатом. Невероятная история Эрнеста Резерфорда
Имя лорда Эрнеста Резерфорда часто называют вместе с Альбертом Эйнштейном, Марком Планком и Нильсом Бором. К 150-летнему дню рождения ученого «Мел» рассказывает, как сын фермера из Новой Зеландии сумел понять устройство атома и получил Нобелевскую премию.
Об Эрнесте Резерфорде мы узнаем в школе. Читаем в учебнике физики описание его классического опыта бомбардировки альфа-частицами тоненькой пластины золота; учим параграфы о том, что он открыл строение атома, создал научную школу, получил Нобелевскую премию; именно его открытия трансурановых элементов дали начало ядерной физике, ядерному оружию и атомным станциям; не будь Резерфорда, мир не знал бы ускорителей и Большого адронного коллайдера — но жизнь автора планетарной модели атома и его страсть к науке тоже впечатляющи.
Мальчик с берегов пролива Кука
Будущий баронет, лорд, лауреат всех мыслимых премий и немыслимых званий, один из самых крупных ученых ХХ века родился в зимний день 30 августа 1871 года на Южном острове, в деревне Спринг Гроув (переименованной позднее в Брайтуотер), в семье колесного мастера Джеймса Резерфорда, эмигрировавшего из Англии по квоте переселенцев в колонии.
Да, мы не ошиблись, написав про зимний августовский день — дело происходило в Южном полушарии, в Новой Зеландии, проще говоря, на краю света. Там Резерфорды оказались волею случая — они собирались в Канаду, но бесплатные билеты им достались в Новую Зеландию. Так судьба играет человеком.
Мальчика назвали Эрнестом, а вообще у Резерфордов в детях недостатка не было: семь сыновей и пять дочерей родились у фермера Джеймса и его жены, учительницы Марты. Эрнест был четвертым, его с рождения отличали удивительная память, рост, сила и здоровье.
Со временем семья переехала из Спринг Гроув Южного острова в маленькое селение Пунгареху среди солнечных холмов и влажных долин «райской» провинции Таранаки Северного острова. Здесь в 1880-е решил обосноваться отец Резерфорда, его влекли свомпы — полные влаги земли, отлично подходящие для выращивания льна. Это была настоящая глухая колония, задворки острова, который маори называли Те Ика а Мауи — Рыба Мауи. Именно эти места будет считать родными лорд Резерфорд.
Эрнест с отличием окончил начальную школу в Пунгареху, получил премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения учебы в колледже Нельсона, где снова отличился, и получил следующую стипендию для учебы в университете Крайстчерча, столицы провинции Кентербери.
Резерфорд стал студентом под номером 338 — как видите, не так много стипендиатов прошли через стены провинциального островного университета за 15 лет работы. Эрнест, выбиравший между физикой и математикой, сразу принялся за исследования — профессор Биккертон сумел увлечь его физикой, показав, как много в ней нерешенных проблем.
Резерфорд показал себя независимым исследователем и прилежным экспериментатором: он сам определял тему своих исследований, разрабатывал программу опытов, конструировал приборы для регистрации событий и был способен засиживаться в скромной лаборатории допоздна.
Интуиция, еще один дар Резерфорда, обнаружила себя с небывалой силой: его магистерская работа 1892 года на тему «Намагничивание железа при высокочастотных разрядах» исследовала в сущности одну из самых горячих тем в науке — радиоволны, существование которых было доказано в 1888 году Генрихом Герцем. Над проблемой улавливания волн и беспроводной связи в то же время работали двое замечательных ученых — Александр Попов и Гульельмо Маркони.
21-летний Резерфорд в своей, как сказали бы мы сегодня, дипломной работе изобрел магнитный детектор, один из первых приёмников электромагнитных волн. Конечно, он не выиграл гонку за радио (и Попов, и Маркони продвинулись чуть дальше в своих научных и изобретательских поисках), но сильная и качественная научная дипломная работа дала ему стипендию для продолжения обучения в Кембридже. Он уезжал в Англию докторантом, оставляя в Новой Зеландии невесту Мэри Ньютон, братьев и сестер, зеленые холмы Северного острова и ближайшего друга — свою мать.
«Заслуга более твоя, чем моя»
Известие о полученной стипендии, по легенде, застало молодого Эрнеста Резерфорда на поле отцовской фермы. Там он кинул на землю лопату и закричал: «Это последняя картошка, которую я выкопал!»
Эти слова нам известны в пересказе Марты Резерфорд, его матери. Всю жизнь она была одним из самых близких людей для своего сына, первой учительницей и конфидентом. Их взаимопонимание было удивительным, а переписка постоянной (и частой), несмотря на то, что они почти всю жизнь прожили вдалеке друг от друга. Мать называла его «Моцарт» и рассказывала, как он умел удивить — еще в детстве прочитывал учебник «и сразу всё знал»!
«Ты не можешь не знать, какое чувство радости и благодарности переполняет меня при мысли, что бог благословил и увенчал успехами твой гений и твои усилия. Дабы смог ты подняться к еще более высоким вершинам славы и жить вблизи бога, подобно лорду Кельвину, об этом мои молитвы, это мое серьезнейшее желание.»
Марта Резерфорд — сыну Эрнесту (цитируется по книге «Эрнест Резерфорд. ЖЗЛ». Д. Данин)
Когда в 1931 году 60-летнего физика, серьезного ученого, нобелевского лауреата Эрнеста Резерфорда наградили титулом баронета и званием лорда, он первым делом отправил в Новую Зеландию телеграмму. Марте Резерфорд, вдове фермера, было 88. В телеграмме было всего несколько слов: «Итак — лорд Резерфорд. Заслуга более твоя, чем моя. Люблю. Эрнест».
Дикий кролик из страны антиподов, который роет глубоко
В 1895 году уже начинали подводить итоги XIX столетия. Век выдался великим для физики: классическая механика, электромагнетизм, закон сохранения энергии, термодинамика. Многие считали, что человечество вплотную подошло к пределу знаний и великие явления все открыты. «Теоретическая физика закончена. Дифференциальные уравнения сформулированы, методы их решения разработаны. Можно вычислять отдельные частные случаи. Но стоит ли отдавать такому делу свою жизнь?» — спрашивал мюнхенский профессор Филипп Жолли своего студента Макса Планка.
К счастью, молодой и дерзкий магистр наук из Новой Зеландии, стипендиат Эрнест Резерфорд был полон энтузиазма. Прибыв в Англию, он тут же написал главе Кавендишской лаборатории Кембриджа, Джону Джозефу Томсону о том, что мечтает работать в Кавендише.
Его приняли — это был первый год, когда Томсону разрешили брать докторантов из других стран
Кавендишская лаборатория была чуть не самым молодым научным учреждением Кембриджа; тут занимались удивительными вещами — например, исследовали прохождение электричества через газы (за эту работу Джон Томсон получит Нобелевскую премию 1906 года, и пятеро его учеников повторят этот успех).
Резерфорд планировал продолжать заниматься детектором волн Герца, но в 1896 году оказалось, что министерство почт Великобритании уже выделило деньги Маркони (он, в отличие от Попова, запатентовал прибор беспроводной связи) на работу с радиоволнами. Тогда Резерфорд решил заняться рентгеновскими лучами — Томсон, как и все передовые физики мира, был увлечен этим новым открытием. Радиоволны Резерфорд отставил навсегда, он уже не был бы в них первым (вопрос не самолюбия, а научного любопытства). Он стал ассистировать Томсону в вопросе изучения, что происходит с газом при ионизации.
Представьте себе запаянный стеклянный баллон с двумя электродами, положительным и отрицательным. Если заполнить разными газами баллон и пропустить ток, возникали интересные картины свечения: бывали молнии, поток лучей, который менял направление при действии магнитного поля, заставляя стекло фосфоресцировать.
Так были открыты Х-лучи, которые позже назвали рентгеновскими — проникающее излучение неизвестной природы
Оно тут же заинтересовало несколько команд физиков в мире — Анри Беккереля и супругов Кюри в Париже (они начнут исследования в 1897), Джозефа Томсона в Кавендише. И Эрнеста Резерфорда, его докторанта, который в марте 1896 года начал работать над новой темой: пропускать рентгеновские лучи через баллоны с газом.
Уже 24 февраля 1896 года Анри Беккерель опубликовал сообщение о том, что урано-калиевая соль засвечивает фотографическую пластинку. Это была радиоактивность — которую еще не открыли и слова этого еще не ввели в научный оборот; и кому-то предстояло этим заняться.
Уран был загадочен и непонятен: почему он испускает рентгеновские лучи и не перестает их испускать — все время с одинаковой силой, непрерывно. Его нагревали, охлаждали, пропускали ток и вводили в магнитное поле, а он все испускал лучи неясной природы.
В начале 1897 года впервые взял в руки урановую соль Эрнест Резерфорд
До того они с Томсоном сделали хорошую работу — научились облучением делать газ проводником электричества и снимать проводимость, прекращая облучение. Она стала эпохальной, эта работа по электропроводности газов, и вела прямо к открытию строения атома. Текст статьи «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию рентгеновых лучей» был опубликован в ноябре 1896 года лондонским «Philosophical Magazine».
Тогда Резерфорда в Кавендише назвали «диким кроликом из страны антиподов, который роет очень глубоко», и к тому же времени относится цитата Резерфорда: «Ионы — это веселые малыши, вы можете наблюдать их едва ли не воочию».
Во время опытов с электропроводимостью газов Томсон сделал попытку измерить массы положительных и отрицательных частиц и очень удивился: частицы, несущие отрицательный заряд, были по меньшей мере в 1000 раз легче легчайшего атома.
В XX веке откроют, что масса электрона примерно в 1837 раз меньше массы водородного ядра — протона. Томсон назвал этих крошечных носителей отрицательного электричества «корпускулами» (слово «электрон» в этом качестве начнут использовать позже). 30 апреля 1897 года Томсон сделал доклад об этих частицах: ему никто не поверил. Частицы меньше атома? Этого не может быть!
Но ученик Томсона Резерфорд в феврале 1898 начал работать над темой «Урановая радиация и создаваемая ею электрическая проводимость» — и переоткрыл излучение урана. Да, в этом году Эрнест Резерфорд открыл альфа- и бета- излучения: поместил излучающие вещества в магнитное поле и установил, что один лучевой поток отклоняется влево, другой — вправо, а третий не отклоняется вовсе. Его классическая работа была опубликована в 1899 году, и вот она-то по-настоящему и закрыла XIX век, вплотную приблизившись к теории строения вещества: тяжелые, положительно заряженные частицы с невысокой проникающей способностью, получившие название альфа-излучения, и легкие, отрицательно заряженные частицы с гораздо большим пробегом, которые он назвал бета-излучением.
Это было началом. 12 апреля 1898 года в академии Парижа тридцатилетняя Мария Кюри сделала сообщение «О лучах, испускаемых соединениями урана и тория». Резерфорду было 27, и научное соревнование только заставило его бежать еще быстрее.
В 1898-м Мария и Пьер Кюри сделали сообщение о новом радиоактивном веществе, содержащемся в урановой руде. Появилось слово и понятие радиоактивности. Но их доклад заканчивался фразой: «Причина и происхождение радиации, непрерывно испускаемой ураном и его солями, пока остаются тайной».
Резерфорд излучает
Осенью 1898 года Резерфорд получил профессорскую кафедру и оклад, который делал возможным его женитьбу на Мэри Ньютон. Путь ему лежал через океан, в Монреаль, там, в университете Макгилла, он стал заведовать физическим отделением и скоро превратил Монреаль в один из передовых центров мира в современной физике.
Лектор из Резерфорда получился не очень впечатляющий, а вот как руководителю и исследователю ему не было равных. В 1899 году сотрудники университета Макгилла Оуэнс и Резерфорд представили статью «Радиация урана и тория», где изучали постоянную радиоактивность урана и переменную — тория.
Уже летом 1899 Резерфорд открыл так называемую «эманацию тория» (это был радиоактивный изотоп радон-220) и пришел к понятию «возбужденной радиоактивности». Голос его в те дни раздавался во всех, казалось, комнатах особняка физического факультета. Резерфорд был громогласен, как Зевс, его интеллект был незауряден, ученость — очевидна, характер — независим, юмор — проницателен, а происхождение ошеломляло простотой; его манеры были простонародны, акцент колониален. Он сам казался радиактивным, столько он возбуждал идей и открытий, а впоследствии оказалось, что он и был радиактивен, после тысяч поставленных им опытов кабинет Резерфорда в Монреале все еще вызывает потрескивание счетчика Гейгера, а любимое место у доски искрит. В 1900-м Резерфорд привез из Новой Зеландии Мэри Ньютон и женился на ней, в 1901 у них родилась дочь Эйлин.
В Париже тем временем супруги Кюри открыли радий и полоний; при изучении различных радиактивных элементов был обнаружен период (еще не полураспада и распада) ослабления радиации: 1 минута для эманации, 660 минут для возбужденной радиоактивности.
Но Резерфорду, чтобы продвигаться дальше в исследованиях, нужен был химик, и не просто химик, а радиохимик — а этой отрасли науки еще просто не было; на счастье человечества, в Монреаль приехал Фредерик Содди, молодой химик из Оксфорда (и тоже будущий нобелевский лауреат). Их работа 1902 года называлась «Радиоактивность соединений тория», но подзаголовок был, как мы бы сказали сегодня, горячим: «Причина и природа радиоактивности». В ней был дан грубый, первый набросок будущей модели атома.
В результате продуманной серии экспериментов в 1903 году Резерфорд и Содди заметили и поняли, что испускание луча радиоактивным веществом — сигнал об акте превращения атома, каждый всплеск — знак того, что один из атомов претерпел серьезные изменения. Это стало великой работой «Причина и природа радиоактивности», в которой излагалась теория радиактивного распада.
«Я почувствовал, как колотится мое сердце, и, словно уносимый некоей силой, действующей извне, услышал со стороны, как произношу невероятные слова: «Резерфорд, это превращение элементов!»»
Это было открытие естественного превращения элементов, благодаря которому физики смогли понять процесс появления новых веществ в топках новых и сверхновых, это был важный вклад в копилку знаний об устройстве мира. В том же году Беккерель и Кюри получили Нобеля «за открытие радия и полония».
Манчестер
В 1907 году Эрнест Резерфорд уехал из Канады и возглавил отделение физики в университете Манчестера. В следующем, 1908 году, 37-летнему Резерфорду была присуждена Нобелевская премия «за исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». После полуголодной жизни на небольшой оклад профессора, Нобель был и признанием, и богатством. Это сразу почувствовала дочь Резерфорда Эйлин, которой в Рождество 1908 года подарили неслыханные подарки. Лауреатами 1908 года стали Илья Мечников, Габриэль Липпман и Пауль Эрлих — все они были много старше молодого профессора Резерфорда.
В Манчестере у Резерфорда появился новый соавтор — Гейгер, вместе они написали статью «Заряд и природа альфа-частицы». В опытах одного из учеников Резерфорда были получены результаты бомбардировок альфа-частицами тоненького листа золота. Некоторые (очень некоторые!) из альфа-частиц отклонялись от направления и будто столкнувшись с чем-то, летели назад.
«Д-р Резерфорд — единственный из живущих, кто обещает даровать человечеству, как итог открытия радия, неоценимое благо. Я бы посоветовала Англии беречь д-ра Резерфорда…»
Планетарная модель
Именно изменение траектории части альфа-частиц натолкнуло Резерфорда на понимание того, как устроен атом. В самом начале 1911 года дома у Резефордов в Манчестере собрались ученики профессора: он хотел сделать небольшое сообщение. Сохранился рисунок: в центре круга жирная чернильная точка и поверх нее знак «+» — положительно заряженное ядро атома. А между центром и круговой границей россыпь частиц, обозначенных знаком «-», таким стало первое знакомство с прорывной идеей Резефорда о том, как устроен атом. Многие из аспирантов физического факультета навсегда запомнили этот день. В мае 1911 года незабываемый день настал уже для физиков всего мира: в выпуске «Philosophical magazine» появилась статья — «Рассеяние альфа- и бета-частиц в веществе и структура атома».
Мир быстро и неотвратимо менялся: уже в июне 1911 года в Брюсселе было созвано совещание ведущих физиков Европы для обсуждения проблемы «излучения и квантов». А к Резерфорду в Манчестер приехал учиться датский докторант Нильс Бор, ставший необычайно близок Резерфордам, будущий автор неклассической механики атома. Он теоретически обоснует (на совсем другом уровне) планетарную модель атома Резерфорда. Статья «О конституции атомов и молекул» Нильса Бора вышла в 1913 году, это было новое открытие микромира.
Крокодил и герб с птицей киви
В 1913 году еще один великий аспирант мистера Резерфорда, Генри Мозли, экспериментально доказал идею «Заряд ядра равен номеру элемента в менделеевской таблице». Резерфорд написал статью в Nature, что его сотрудник Г. Г. Дж. Мозли получил «сильнейшее и убедительнейшее доказательство того, что заряд ядра равен номеру элемента» и, следовательно, число электронов в атоме равно атомному номеру элемента, ибо таков по величине положительный заряд ядра, а в целом атом нейтрален. А мистеру Резерфорду не так долго уже оставалось быть мистером: в 1914 году он стал рыцарем, сэром.
Началась война, а Резерфорды отправились за океан, в Новую Зеландию; вернувшись, они увидели, что лаборатория опустела: докторанты были призваны на фронт. Вот только гениальный Генри Мозли с войны не вернулся — он погиб в ходе Дарданелльской операции.
Только после войны исследования Резерфорда возобновились; а в 1921 в его лабораторию приехал молодой физик из России, Петр Капица
Лорд Эрнест Резерфорд умер в 1937 году от ущемления грыжи. Ему было 66, еще не началась страшная Вторая мировая, атомные бомбы, чудовищное последствие и его открытий, еще не упали на Хиросиму и Нагасаки. Резерфорд, один из величайших ученых ХХ века, похоронен рядом с Ньютоном, Дарвином и Фарадеем.
Осталось три тома его работ, открытие радиактивности, строения атома. Все его работы экспериментально подтверждены. Химический элемент 104 в периодической таблице называется «резерфордий».
На обложке: Эрнест Резерфорд в университете Макгилла, 1905 год. Фото: Wikimedia Commons / CC BY 4.0