По прозвищу «Крокодил.

Главная

Времена года

В чем Резерфорд превзошел Эйнштейна и в чем уступил Маркони, какие мегагранты были в Англии XIX века, какие потери великий ученый понес на Первой мировой войне и за что его называли Крокодилом и кроликом, сайт рассказывает в очередном выпуске рубрики «Как получить Нобелевку».

Памятник Резерфорду-ребенку в Новой Зеландии

Wikimedia Commons

Эрнест Резерфорд

Нобелевская премия по химии 1908 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».

Когда пишешь статью о нобелевском лауреате, существует два особенно трудных случая. Первый вариант: о нашем герое известно очень мало, и приходится заниматься отдельным поиском, чтобы набрать материала на статью. Второй вариант: наш герой сверхзнаменит, имя его стало нарицательным, а воспоминания очевидцев часто противоречат друг другу. И тут возникает другой вопрос - вопрос выбора. Наш сегодняшний случай - именно такой. Очень мало лауреатов, которые настолько известны, как наш персонаж. Еще меньше - получивших Нобелевскую премию так, что сама номинация в его случае стала самым ярким случаем троллинга в истории науки. Хотя в том далеком 1908 году «троллингом» могли назвать разве что музыкальную сценку авторства Эдварда Грига. Но как еще можно назвать премию по химии, врученную физику до мозга костей, который сам неоднократно подчеркивал, что все науки «делятся на физику и коллекционирование марок»? С другой стороны, именем этого человека в разное время назывались целых три химических элемента. Вы уже догадались, кто наш герой? Разумеется, это он, первый новозеландский нобелевский лауреат, сэр Эрнест Резерфорд. Он же - с легкой руки будущего советского нобелевского лауреата и своего ученика Петра Капицы - Крокодил.

Юный Эрнест Резерфорд

Wikimedia Commons

Резерфорда можно считать счастливцем. Родившись дальше, чем в провинции, не в Девоншире каком-нибудь, не в Эдинбурге, не в Сиднее и даже не в Веллингтоне, а в новозеландской провинции, в фермерской семье, он сумел пробиться. Однако стипендию имени Всемирной выставки 1851 года для одаренных провинциалов наш герой получил лишь тогда, когда тот, кому ее присудили ранее, отказался.

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. Денег на то, чтобы разрабатывать детектор, ему не дали: все свои средства почта Британии поставила на Маркони, который получит Нобелевскую премию через год после Резерфорда. И новозеландец записался в Кавендишскую лабораторию при Кембридже.

Мало кто знает, что знаменитая Кавендишская лаборатория названа по имени не химика Генри Кавендиша (который был 2-м герцогом Девонширским), а его родственника, 7-го герцога Девонширского, Уильяма Кавендиша, канцлера Кембриджа, который пожертвовал денег на открытие лаборатории. Такой вот английский мегагрант. Между прочим, весьма успешный: на настоящий момент 29 сотрудников этого проекта получили Нобелевские премии (включая нашего Капицу).

Уильям Кавендиш, 7-й герцог Девонширский

Wikimedia Commons

Резерфорд стал докторантом у самого , первооткрывателя электрона (Томсон - лауреат «физического нобеля» 1906 года, но не за электрон, а за исследования прохождения токов в газах). И поучаствовал в нобелевских работах своего научного руководителя. А 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 Томсоном он изучал ионизацию газов рентгеновским излучением. В 1898 году он выделил из радиоактивного излучения «альфа-лучи» и «бета-лучи». Сейчас мы знаем, что это ядра гелия и электроны. Кстати, химической природе альфа-лучей посвящена Нобелевская лекция Резерфорда.

Эккспериментальная установка по разделению радиоактивного излучения на альфа-, бета- и гамма-составляющие

Wikimedia Commons

В 1901-1903 годах вместе с будущим нобелиатом по химии 1921 года, Фредериком Содди, Резерфорд открыл естественные превращения элементов при радиоактивном распаде (за это наш герой и получил «Нобеля», так что все законно, ведь химия - это наука о превращении веществ друг в друга). При этом была открыта «эманация тория», газообразный радон-220, и сформулирован закон радиоактивного распада.

Фредерик Содди

Ганс Гейгер и Эрнест Резерфорд

Wikimedia Commons

Но самый известный свой эксперимент он (точнее, его ученики Гейгер и Мардсен) провел в 1909 году. Исследование прохождения альфа-частиц сквозь золотую фольгу абсолютно неожиданно для всех показало, что некоторые ядра гелия отбрасываются обратно. «Как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар», - писал Резерфорд. Так было открыто атомное ядро и появилась планетарная модель атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра, а модель Томсона, которая называлась «пудинг с изюмом», была отброшена.

Как проходили бы альфа-частицы через атомы Томсона (ожидаемый результат эксперимента) и какие результаты наблюдались в реальности

Wikimedia Commons

Предложить такую модель было совершенным безумием. Потом выяснилось, что о планетарной модели атома задумывался, например, Эйнштейн, но не решился ее разрабатывать, ведь всем ясно, что рано или поздно электроны должны падать на ядро.

Во время Первой мировой войны Резерфорд работал над детектированием вражеских подлодок (он служил офицером связи). Война же нанесла нашему герою и страшный удар: на фронте погиб талантливейший его ученик - Генри Мозли.

Генри Мозли

Wikimedia Commons

В 1917 году Резерфорд 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 о превращении элементов при естественном радиоактивном распаде, вышла статья «Аномальный эффект в азоте», в которой сообщалось о первом искусственном превращении элементов). В 1920 году Резерфорд предсказал существование нейтрона (его потом открыл ученик Резерфорда Чедвик).

Сэр Джеймс Чедвик

Wikimedia Commons

Во время войны Резерфорд стал и дворянином. Несмотря на то, что удар мечом Резерфорд получил от короля в 1914 году, бароном Резерфордом Нельсоном он официально стал только в 1931-м, с утверждением соответствующего герба. На гербе - птица киви, символ Новой Зеландии, и две экспоненциальные кривые, показывающие, как убывает со временем количество радиоактивных атомов при радиоактивном распаде. Он телеграфировал по подводному кабелю восьмидесятивосьмилетней матери: «Итак - лорд Резерфорд. Заслуга более твоя, чем моя. Люблю, Эрнест».

Итак, сегодня у нас суббота, 17 июня 2017 года и мы традиционно предлагаем вам ответы на викторину в формате «Вопрос - ответ». Вопросы нам встречаются как самые простые, так и достаточно сложные. Викторина очень интересная и достаточно популярная, мы же просто помогаем вам проверить свои знания и убедиться, что вы выбрали правильный вариант ответа, из четырех предложенных. И у нас очередной вопрос в викторине - Какое прозвище физик Эрнест Резерфорд получил благодаря тому что ученики издалека узнавали его по шагам и по голосу?

Динамит
Крокодил
Будильник

Правильный ответ С - Крокодил

В 1931 году Резерфорд выхлопотал 15 ООО фунтов стерлингов на постройку и оснащение оборудованием специального здания для лаборатории Капицы, торжественное открытие которой состоялось в феврале 1933 года. Входную дверь в лабораторию двухэтажного здания открыли «золотым» ключом в форме крокодила. На торцевой стене лабораторного корпуса было высечено изображение огромного крокодила. По заказу Капицы эту работу выполнил известный скульптор Эрик Гилл.

Почему крокодил? Оказывается, крокодил - это кличка Резерфорда, данная ему Капицей. Об этом знали все сотрудники лаборатории, знал и сам Резерфорд. Об ее происхождении Капица говорил: «Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать резерфордовскую проницательность и его стремление к продвижению вперед».

«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010—2014 гг. и в №№ 1, 4—7, 2015 г.

Вечером перед сном Дзинтара, как всегда, открыла книгу и прочитала детям первую фразу новой сказки:

— История атомной физики сложилась бы иначе, не будь в Шотландии так мало пахотных земель.

— Ты уверена, что в этой фразе нет ошибки? — осторожно спросила Галатея. — Может, в ней случайно сошлись два предложения из разных историй?

— Сейчас увидим, — проговорила озадаченная Дзинтара и продолжила чтение.

— Из-за нехватки сельскохозяйственной земли в Шотландии британское правительство стало раздавать безземельным фермерам бесплатные билеты на пароходы, отправлявшие-ся в отдалённые и малонаселённые английские колонии, где бедняки могли получить собственный участок. Семейству Резерфордов достался билет не в Канаду, как многим другим, более удачливым фермерам, а гораздо дальше — в Новую Зеландию. Там глава семейства Джеймс стал заниматься выращиванием льна. У него было 12 детей. Четвёртого ребёнка звали Эрнест. Мальчик отличался прекрасной памятью, богатырской силой и здоровьем. Живя, можно сказать, на краю света, он увлёкся наукой и захотел переехать в Англию, где фермерам приходилось туго, а учёным было полное раздолье.

Сильное желание — главная составляющая успеха. Эрнест прекрасно закончил школу и получил стипендию для обучения в лучшем в Новой Зеландии Кентербери-колледже в Крайстчёрче. В те времена в нём насчитывалось всего 150 студентов и 7 профессоров. Сейчас это новозеландский университет.

В 21 год Эрнест закончил колледж, защитив магистерскую работу по радиоволнам, открытым несколькими годами ранее немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. Для регистрации волн новозеландский магистр придумал радиоприёмник нового типа, основанный на намагничивании железа при высокочастотном разряде. Но мечта об Англии пока оставалась мечтой.

— Эрнест подал заявку на стипендию, которая позволяла учиться в Англии. Такую стипендию — одну на всю Новую Зеландию — давали раз в два года. Ожидая ответа, Резерфорд устроился на работу учителем в среднюю школу. К сожалению, стипендию дали другому. Но случилось неожиданное — тот отказался от стипендии и остался в Новой Зеландии. А в Англию поехал Резерфорд. Он прибыл в Кембриджский университет, поступил на работу в Кавендишскую лабораторию и стал аспирантом знаменитого физика Джозефа Джона Томсона.

— Чем же он знаменит? — поинтересовалась Галатея.

— Томсон был директором прославленной Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Он исследовал катодные лучи и доказал, что вне зависимости от материала катода они состоят из одинаковых частиц с одним и тем же отношением заряда к массе. Это отношение Томсон измерил по отклонению траекторий частиц в электрическом и магнитном полях. Таким образом, Томсон стал открывателем электронов — мелких заряженных частиц материи. В 1906 году он получил за это Нобелевскую премию. Другой известный физик, нобелевский лауреат 1905 года Филипп Эдуард Антон фон Ленард тоже исследовал катодные лучи и был близок к доказательству того, что они состоят из частиц, но упустил право называться открывателем электронов.

— Он и с рентгеновскими лучами опоздал! — напомнил Андрей.

— Да, Ленарду хронически не везло, все самые яркие открытия, связанные с катодными лучами, уплыли из его рук.

Томсон не только открыл электроны, но и предположил, что они входят в состав любого вещества, то есть являются частичками атома. До него учёные рассматривали атомы как нечто целое и неделимое, а Томсон первым сделал попытку создать более детальную модель атома, которая включала бы отдельные частицы — электроны. Но электроны, заряженные отрицательно, отталкиваются друг от друга. Значит, их взаимное отталкивание должно компенсироваться присутствием материи с положительным зарядом, чтобы атом в целом был нейтральным. Томсон выдвинул следующую гипотезу: атом — это массивное облако положительно заряженной материи, в котором, как изюм в пудинге, находятся лёгкие отрицательные электроны. Эту модель стали называть «пудинговая модель атома».

Таково было состояние дел в атомной физике, в частности в Англии, когда туда приехал крепкий новозеландский парень, сын фермера Эрнест Резерфорд. Одной из первых его работ было открытие лучей нового типа. В 1898 году, используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд доказал, что в этом излучении присутствуют сразу два вида частиц: положительно заряженные массивные альфа-частицы и отрицательно заряженные лёгкие бета-частицы. Они по-разному реагируют на магнитное поле, отклоняясь в разных направлениях.

— Что это за частицы? — спросила Галатея.

— Бета-частицы — те самые электроны, которые открыл Томсон; альфа-частицы — ядра гелия, они в тысячи раз тяжелее электронов. Через год французский физик Поль Вийяр показал, что есть ещё и нейтрально заряженные частицы, не отклоняющиеся в магнитном поле, — их назвали гамма-лучами. Это электромагнитное излучение, только ещё более коротковолновое, чем рентгеновские лучи.

Работа молодого Резерфорда была очень успешной, но попасть в круг английских профессоров ему не удалось. Осенью 1898 года он получил предложение занять место профессора в Монреальском университете в Канаде. Там он познакомился с младшим лаборантом Фредериком Содди. За пять лет совместной работы они создали теорию радиоактивного распада. Молодые исследователи опровергли мнение о том, что атомы неделимы и неизменны. Они заявили: «В результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества».

В 1910 году, через несколько лет после этих открытий, младший лаборант Содди стал академиком и членом Королевского общества, а позже, в 1921-м, — нобелевским лауреатом.

— Вот как помогла ему дружба с сыном новозеландского фермера! — засмеялась Галатея.

— Эрнест Резерфорд тоже приобрёл широкую известность. В 1903 году его выбрали в академики. После восьми с лишним лет работы он покинул Канаду и вернулся в Англию. Весной 1907 года Резерфорд получил должность профессора в Манчестерском университете с окладом в два с половиной раза больше, чем в Канаде. В следующем году ему присудили Нобелевскую премию «за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Узнав о награждении, новоиспечённый лауреат произнёс ставшие крылатыми слова: «Вся наука — или физика, или коллекционирование марок».

В Манчестерском университете Резерфорд создал новую лабораторию, которая затмила результатами своей работы Кавендишскую. Ученик Резерфорда, физик из России Пётр Леонидович Капица дал Резерфорду прозвище Крокодил. «Это животное никогда не поворачивает назад, — объяснил он, — и потому может символизировать резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперёд».

Главное открытие Резерфорд сделал вскоре после присуждения ему Нобелевской премии. По его предложению в 1908 году физики Ханс Вильгельм Гейгер и Эрнест Марсден стали изучать процессы рассеяния альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Они получили загадочный результат: примерно десять тысяч альфа-частиц пролетали сквозь фольгу, лишь слегка отклоняясь от своего пути, зато одна из этих десяти тысяч частиц отклонялась очень сильно, а иногда даже летела назад.

— И как это объяснить? — спросила Галатея.

— Как вы помните, согласно Томсону, атом представлял собой рыхлое положительно заряженное облако с вкраплениями электронов. Электроны весили в семь тысяч раз меньше, чем альфа-частицы, и никак не могли отклонить их назад. Эрнест Резерфорд писал про отражение назад альфа-частиц: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар». Томсон не был обескуражен этим результатом, — он полагал, что большое количество мелких отклонений может, суммируясь, развернуть некоторые альфа-частицы назад. Но он не подкрепил свою догадку расчётами, и это не удовлетворило дотошного и упрямого Резерфорда.

В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил планетарную модель атома, в центре которой находилось массивное положительное ядро, а вокруг — как кольца Сатурна — кружились электроны.

Резерфорд долго размышлял над результатами Гейгера и Марсдена и в 1911 году создал собственную планетарную модель атома, в которой крошечное положительное ядро было в десять тысяч раз меньше самого атома, но благодаря своей массе и сильному электрическому полю могло развернуть назад быстро летящие альфа-частицы.

— Это верно и для чёрных дыр, и для атомных ядер! — просиял Андрей. — Ведь чем меньше радиус, тем сильнее поле. Только поля у них разные: у чёрных дыр — гравитационные, а у атомных ядер — электрические.

— Молодец, Андрей! — в свою очередь обрадовалась Дзинтара. — Быстро соображаешь!

Галатея недовольно покосилась на брата.

— Не перебивай!

— Ничего, — успокоила её Дзинтара, — это же интересно — по ходу сказки обсуждать самые важные моменты. Итак, Резерфорд предложил свою модель атома — и был ею очень доволен. «Теперь я знаю, как выглядит атом!» — говорил он. В то же время он рассматривал её как рабочую модель, которая помогает объяснить интересные эксперименты, но ещё далека до совершенства. И тут среди учеников Резерфорда появился человек, который принял эту модель всерьёз, но это уже новая история. А сегодня пора спать.

И Дзинтара закрыла книгу, несмотря на протестующие возгласы детей.

Хантаро Нагаока (1865—1950) — японский физик. В 1904 году предложил первую планетарную модель атома с массивным положительным ядром и кружащимися вокруг него отрицательными электронами.

Эрнест Резерфорд (1871—1937) — британский физик родом из Новой Зеландии. Лауреат Нобелевской премии по химии за 1908 год. Экспериментально доказал наличие крошечного плотного и тяжёлого ядра внутри сравнительно большого и почти пустого (в остальных областях) атома. Создатель известной школы физики: 12 учеников Резерфорда стали нобелевскими лауреатами.

Фредерик Содди (1877—1956) — английский радиохимик, член Лондонского королевского общества, лауреат Нобелевской премии по химии 1921 года. Вместе с Резерфордом работал над созданием теории радиоактивного распада.

Джозеф Джон Томсон (1856—1940) — английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года, президент Лондонского королевского общества и Лондонского общества физиков, директор Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, где под его руководством работал Эрнест Резерфорд.

Уточнение

(См. статью Ник. Горькавого «Сказка о философском камне и гувернантке, получившей две Нобелевские премии» в № 6, 2015 г.)

Первое предположение о существовании неизвестных радиоактивных элементов было опубликовано в «Докладах академии наук» по материалам заседания от 12 апреля 1898 года. Их поиском занимались супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. Исследовав радиоактивные свойства урана, Мария начала изучать радиоактивность различных руд. Она обнаружила, что некоторые из них излучают гораздо интенсивнее, чем другие, и сделала смелое предположение: в руде содержится вещество, радиоактивность которого во много раз превышает радиоактивность урана. Супруги разделили руду на несколько химических фракций и стали отдельно измерять их радиоактивность. Оказалось, что высокой активностью обладают не одна, а две фракции. Это означало, что радиоактивных элементов тоже два. Об открытии первого из них — полония — Пьер и Мария заявили в июле 1898 года. А 26 декабря того же года на очередном заседании Академии наук вместе с сотрудником их лаборатории химиком Ж. Бемоном они сообщили, что обнаружили второе из разыскиваемых веществ, содержащее новый радиоактивный элемент. Ему дали название «радий».

Во время первой мировой войны Э. Резерфорд был привлечен к работам по созданию системы обнаружения вражеских подводных лодок. Для военных эта проблема была наиважнейшей, но для ученых и великих математиков () были и другие научные интересы, которые фактически составляли их жизнь.

Однажды, когда Резерфорду пришлось объяснять, почему он не присутствовал на ответственном совещании с военными в Адмиралтействе, он ответил: «Я не прибыл на заседание, так как был занят экспериментами, указывающими на то, что атом можно искусственно расщепить. Если выводы подтвердятся, то это окажется гораздо важнее, чем вся эта война».

Эрнест Резерфорд пользовался следующим критерием при выборе своих сотрудников. Когда к нему приходили в первый раз, он давал задание. Если после этого новый сотрудник спрашивал, что делать дальше, его увольняли.

К великому экспериментатору тянулись светлые умы со всего света. Он был окружен многочисленными учениками, многие из которых позднее стали Нобелевскими лауреатами. Среди них был и знаменитый советский физик Пётр Леонидович Капица, по воспоминаниям которого можно судить об их первой встрече. В 1921 году П. Л. Капица был направлен в научную командировку в Великобританию. Его громадным желанием было попасть в Кавендишскую лабораторию, директором которой с 1919 года и до конца жизни являлся Резерфорд. При встрече великий ученый заявил Петру Леонидовичу, что все 30 мест в лаборатории уже заняты, и он очень сожалеет, но взять его не сможет. «А какую неточность допускает профессор в научной работе при определении количественного результата?», - полюбопытствовал Капица. «В пределах 2- 3 %»,- последовал ответ. «Отлично! Один сотрудник в дополнение к 30 имеющимся как раз и укладывается в пределы требуемой точности». Такое толкование численности сотрудников лаборатории пришлось по душе великому ученому, и он зачислил сообразительного молодого физика в штат.

Почему крокодил? Оказывается, крокодил - это кличка Резерфорда, данная ему Капицей. Об этом знали все сотрудники лаборатории, знал и сам Резерфорд. Об ее происхождении Капица говорил: «Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать резерфордов- скую проницательность и его стремление к продвижению вперед».

П. Л. Капица вспоминал: «Своеобразный характер мышления Резерфорда легко проявлялся в процессе общения. Чтобы он слушал с интересом, надо было говорить только об основных фактах и идеях, не вдаваясь в технические подробности, которые Резерфорда совершенно не интересовали. Зато основную идею эксперимента он схватывал очень быстро, с полуслова. Это меня поражало, особенно в первые годы моего пребывания в Кембридже, когда я говорил по-английски еще настолько плохо, что не мог ясно рассказать о своих идеях и опытах, и, несмотря на это, Резерфорд быстро схватывал идею и давал всегда очень интересную оценку».

Резерфорд всегда охотно рассказывал о своих опытах, любил показывать свои установки и эксперименты. Он любил сопровождать свой рассказ рисунками, для этого у него в жилетном кармане всегда было несколько маленьких огрызков карандашей. Если вы тоже хотите стать великим физиком - рекомендуем обратить внимание на курсы по физике в Юниум

Многие физики, особенно теоретики, любят научные споры; процесс спора для них - способ мышления. А вот Резерфорд никогда не спорил. Он высказывал свое мнение очень коротко и с предельной ясностью и конкретностью; если ему возражали, то он с интересом выслушивал возражения, но на этом дискуссия и кончалась.

Разделы