V

Памяти Эрнеста Резерфорда

Статья в газете "Известия"

В лице Эрнеста Резерфорда мировая наука потеряла самого крупного и смелого физика-экспериментатора наших дней. Я не сомневаюсь, что его имя в истории физики станет наравне с именем Фарадея.

Резерфорд, как и Фарадей,- в основном экспериментатор, наделенный исключительной интуицией. Она вела его к тем экспериментам, посредством которых он находил в самых трудных и основных проблемах науки простые и ясные решения. В физике, как и во всякой науке, существует ряд основных проблем, решение которых обозначает как бы вехами тот путь, по которому развивается научная мысль. Мало кому из ученых удается поставить больше одной такой вехи. Резерфорд, как и Фарадей, поставил их несколько.

В 1903 г., одиноко работая в маленьком провинциальном университете Монреаля (в Канаде), он доказал, что радиоактивность есть спонтанный распад элемента радия, открытого супругами Кюри. Он доказал это блестяще и неопровержимо убедительно, получив из радия эманацию и гелий. Смелая идея, руководившая его работой, шла вразрез с установившимся уже много десятилетий понятием о постоянстве атома. Эта работа подвела совсем новый фундамент под наши взгляды на материю и лежит теперь в основе наших космологических воззрений.

В 1911 г. Резерфорд создает модель атома. Экспериментально он показывает, что атом всякого вещества как бы подобен Солнечной системе. В центре положительно заряженное весомое ядро окружено отрицательными электронами. Эта модель в 1913 г. легла в основу Розданной Нильсом Бором теории атома и спектров. Теперь эти взгляды являются ведущими как в физике, так и в химии.

В 1919 г. Резерфорд экспериментально доказал возможность искусственного разложения материи. Он разложил ядро элемента азота и, таким образом, указал путь и положил основание современной физике ядра.

Для всех, близко его знавших, его смерть была полной неожиданностью. Он все время энергично руководил своими учениками в Кавендишской лаборатории, где он создал самую крупную школу физиков Англии. Его творческая мысль неистощимо работала, и он принимал живое участие в совместной работе ученых всех стран.

Резерфорд был не только гениальным ученым, но и большим учителем. Он оставляет после себя значительное количество учеников, рассеянных по всему свету.

Работы Резерфорда получили мировое признание. Еще в 1908 г. он получил Нобелевскую премию, имел все научные международные отличия. Он был почетным членом всех академий мира, в том числе и нашей всесоюзной..

Из доклада, прочитанного в Университете физико-химии им. Н. Д. Зелинского

Эрнест Резерфорд, известный всему миру как величайший ученый наших дней, родился в 1871 г. в деревне Брайтуотер, около городка Нельсон в Новой Зеландии. Ученый, имевший все международные отличия, какие только может иметь человек науки, Резерфорд начал свою жизнь очень скромно. Он был четвертым ребенком мелкого фермера, у которого после него было еще восемь детей. Его отцу, культивировавшему лен, было не под силу дать образование 12 детям, и Резерфорд, начиная с детского возраста и до получения высшего образования, все время учился на стипендии.

Это был очень живой, активный, веселый ребенок, любивший охоту, спорт. В школе и в университете он играл форвардом в футбольной команде. Но также он любил читать, мастерить модели, разбирать механизмы. Еще мальчиком он сделал себе фотографический аппарат, что по тем временам было довольно трудно. Окончив школу в 1890 г., он поступает в университет Кентербери-колледж в г. Крайстчерч. Это маленький провинциальный университет, там было всего 150 студентов и семь профессоров. С первого дня он увлекается наукой и начинает исследовательскую работу.

В студенческие годы Резерфорд очень заинтересовался радиоволнами, открытыми Герцем. Его увлекла идея беспроволочного телеграфа, но вопрос тогда упирался в то, чтобы найти детектор для электрических колебаний, возбужденных приходящими волнами. Резерфорд обнаружил, что высокочастотные колебания размагничивают железо. Практически это очень легко обнаружить, если рядом с намагниченным пучком железных проволок, помещенным в колебательный контур, поставим магнитную иглу. Тогда игла заметно отклонится при приеме радиоволн. Это открытие он опубликовал, и в маленьком университете это произвело впечатление и сразу создало Резерфорду репутацию.

В 1891 г. студенты организовали маленькое научное общество, в котором Резерфорд еще совсем молодым человеком делает доклад "Об эволюции материи". В этой работе он высказал для того времени совершенно революционные мысли: он утверждал тогда, что все атомы состоят из одних и тех же составных частей. Этот доклад был встречен очень неодобрительно, и ему пришлось извиниться перед обществом.

Надо сказать, что тогда, в 1891 г., у Резерфорда не было никаких данных для такого утверждения. Радиоактивность была открыта лишь в 1896 г., и со времени Дальтона атом рассматривался как нечто незыблемое. Но смелость Резерфорда, высказавшего такую мысль, правильность которой он экспериментально доказал через 12 лет, очень показательна.

В 1894 г. он кончает университет и, получив так называемую стипендию 1851 года, уезжает в Англию - в Кембридж. "Стипендия 1851 года"-это самая крупная стипендия, которую можно получить в Англии молодому ученому, и она полностью обеспечила научную работу Резерфорда на 2-3 года.

1895 год был годом реформ в Кембриджском университете. До этого года в исследовательских лабораториях Кембриджа не могли работать студенты, окончившие другие университеты. Но по инициативе Дж. Дж. Томсона было решено этот порядок изменить и дать возможность студентам, окончившим другие университеты, продолжать научную работу в кембриджских лабораториях.

Резерфорд был одним из первых молодых ученых, которые воспользовались этим изменением. Он записался в Кавендишскую лабораторию, руководимую Дж. Дж. Томсоном. Вместе с ним туда также поступили Мак-Леннан, Таунсенд и Ланжевен. Резерфорд в продолжение своего пребывания в Кавендишской лаборатории работал в одной комнате с Ланжевеном и очень с ним подружился. Дружба двух ученых, начавших вместе свою научную деятельность, была самой тесной и неразрывной до самой смерти Резерфорда.

В Кембридже Резерфорд начал с того, что продолжал свои работы по радиопередаче. Он устанавливает радиосвязь между лабораторией и обсерваторией, т. е. на расстоянии больше двух километров. Он первый в те времена передавал радиосигналы на такое большое расстояние. Надо думать, что, продолжай он эти работы, он ушел бы очень далеко, но его не привлекало практическое решение этого вопроса. В то время его начинает интересовать другой вопрос - об ионизации газов рентгеновскими лучами, природа которых в то время еще не была известна. Он начал работать вместе с Дж. Дж. Томсоном; ими было установлено такое явление, как ток насыщения при ионизации. Эту работу, опубликованную в 1896 г., можно считать основной по этому вопросу.

Как раз во время этой работы, в 1896 г., Беккерель открыл радиоактивность. Резерфорд увлекся этим явлением и стал его изучать. Он первый показал, что радий испускает два рода лучей (он назвал их а-лучи и b-лучи), которые разнятся по своей способности проникать через материю. Он показал, что эти лучи отличаются от обычного лучеиспускания.

В 1897 г. Резерфорд - уже молодой ученый с известной репутацией. В том же году он получает приглашение занять кафедру физики в университете города Монреаля в Канаде, уезжает туда и в продолжение 10 лет (с 1897 по 1907 г.) работает в Канаде. Эти годы, проведенные в маленьком провинциальном университете, были годами его плодотворнейшей работы. Мне кажется, это особенно поучительно для молодых ученых. Часто приходится слышать от молодых, начинающих ученых жалобы на то, что они не могут работать потому, что нет подходящих условий, нет подходящей лаборатории, нет того, нет другого. А теперь представьте себе молодого ученого, попадающего на другой конец света от своей родины, совершенно изолированного от всего научного мира, куда в те времена и журналы приходили с опозданием больше месяца. Но этот человек полон идей, полон энтузиазма и в этом далеком уголке мира он создает самые передовые, самые революционные, самые ведущие взгляды в науке того времени. Он привлекает этим молодых ученых всего мира, и к нему начинают уже съезжаться ученики.

Работа Резерфорда в Канаде ознаменовалась целым рядом крупнейших открытий. Им была открыта эманация тория. Вместе с Резерфордом там же работал в то время молодой химик Содди, и с ним Резерфорд начал изучать химический характер элементов, получаемых при радиоактивном распаде, так как было очень важно установить наряду с физическими и химические особенности радиоактивного процесса. В то время радиоактивность еще не была понята, и Резерфорд вместе с Содди были первыми, кто доказал, что это есть спонтанный переход одних элементов в другие, называемый теперь радиоактивным распадом. При этом испускаются либо а-лучи, состоящие из быстро летящих атомов гелия с положительным зарядом, либо р-лучи - быстро летящие электроны. На основании этого Резерфорд предполагал, что эманация тория есть элемент, отличный от самого тория. Вместе с Содди он по диффузии определил атомный вес эманации и показал, что она соответствует благородному газу.

Теория радиоактивного распада, выдвинутая Резерфордом и Содди в 1903 г., произвела революцию. Когда Резерфорд говорил об эволюции материи еще студентом в 1891 г., в студенческом кружке, он не имел на это никаких оснований, но теперь, когда он это доказал на основе чисто опытных данных, это произвело колоссальное впечатление не только в узком кругу его университета, но и на ученых всего мира. Но все же этот взгляд был тогда настолько революционен, что многие, даже очень крупные, ученые его не разделяли. Кельвин так и умер, не согласившись с тем, что радиоактивность есть распад атомов элементов, которые он считал незыблемой основой строения материи.

В этом же году, 32 лет, Резерфорд был выбран в Королевское общество (научное общество, эквивалентное нашей Академии наук). Но это не исключительный случай в английской академии. Там обычно ученого выбирают сразу же после того, как он достиг крупного успеха в научной работе, и потому нередки случаи избрания молодых ученых 25-28 лет. В этом большая сила английской академии, делающая ее активным научным центром, и этим она выгодно отличается от академий других стран.

В 1907 г. освобождается кафедра физики в Манчестере- в одном из крупных университетов Англии. В XIX в. эту кафедру занимали такие ученые, как Дальтон, Джоуль и др. Резерфорд переезжает туда. И в период с 1907 по 1919 г., находясь в Манчестере, он делает целый ряд не менее крупных работ, чем в Монреале. Из его работ этого периода надо отметить работу по рассеянию α-частиц при прохождении через вещество. Она привела к тому, что Резерфорд установил новую модель атома, принятую до сих пор.

В 1908 г. за свои работы он получает Нобелевскую премию по химии. В 1919 г. он открывает искусственную дезинтеграцию вещества и показывает, что в природе существует не только спонтанный распад радиоактивных элементов, но можно вызвать и искусственное разложение ядра под влиянием бомбардировки α-лучами. Это было открыто на азоте, а потом проверено на ряде других легких элементов. Таким образом, он создает совершенно новую область ядерной физики - искусственный распад атома.

Так же, как и в Канаде, в Манчестере он привлекает к себе целую плеяду молодых ученых. С ним работают не только англичане, но и немец Гейгер, датчанин Бор и другие, и в его лаборатории его учениками делается ряд выдающихся работ.

В 1919 г. Резерфорд получает кафедру в Кембридже, едет туда и весь остаток своей жизни проводит в Кембридже директором Кавендишской лаборатории, оставленной Дж. Дж. Томсоном, который ушел в отставку. Здесь он продолжает работу по искусственному разложению элементов. Он руководит работами своих учеников, и в его лаборатории делаются два из самых крупных открытий ядерной физики за последнее десятилетие - открытие нейтрона Чадвиком и работа Кокрофта и Уолтона по искусственному разложению вещества под влиянием бомбардировки пучком протонов, ускоренных искусственным путем.

Мы видим, что, начав свои экспериментальные работы по радиоактивности в 1896 г., Резерфорд затем их неуклонно развивает, и к концу его жизни эта область знания принимает такие размеры, что представляется нам уже в виде отдельной науки - ядерной физики.

Для того чтобы понять значение каждого открытия резерфорда, надо представить себе тот исторический фон, на котором они происходили. Эта задача чересчур широкая для такого доклада, как мой. Но очень поучительно на отдельных примерах проследить те методы, которыми Резерфорд вел свою научную работу и которыми он достигал таких крупных результатов.

Резерфорд был экспериментатором и в этом отношении напоминает Фарадея. Он мало пользовался формулами и мало прибегал к математике. Иной раз, пытаясь вывести при своих докладах формулу, он путался и тогда просто писал результат, замечая:

Если все вывести правильно, то так и получится.

Но экспериментом он владел исключительно. Можно сказать, что он "видел" явление, над которым работал, хотя бы оно и происходило в неизмеримо малом ядре атома.

Если говорить очень схематично, то среди физиков существуют как бы два типа исследователей. Один - это тип скорее немецкой школы, когда экспериментатор исходит из известных теоретических предположений и старается их проверить на опыте. Другой же тип ученого, скорее английской школы, исходит не из теории, а из самого явления - изучает его и смотрит, может ли это явление быть объяснено существующими теориями. Тут изучение явления, его анализ являются основным мотивом для экспериментатора. И если такое деление возможно, Резерфорд был ярким представителем этого второго направления в экспериментальной физике. Главное для Резерфорда было - разобраться, понять явление. Эксперимент должен быть так построен, чтобы было ясно, в чем состоит явление. Для этого точность и сложность измерений должны быть как раз таковы, чтобы можно было разобраться и понять явление.

Как пример я приведу случай с изучением α-частиц. Радий испускает α-частицы. Резерфорд показал в самом начале своих опытов, что они не являются обычным лучеиспусканием. Но что же все-таки они собой представляют?

Резерфорд решил, что, если они вылетают из радия, они должны быть каким-то уже существующим элементом. Для того чтобы узнать - каким, надо только определить массу, а массу нужно определить лишь настолько точно, чтобы увидеть, какому из существующих элементов она соответствует.

Резерфорд ставит эксперимент, который очень характерен для него. Опишу этот эксперимент, хотя он имеет только историческое значение, так как теперь для определения массы α-частиц пользуются более точными и сложными методами. Но первоначальный метод Резерфорда поражает своей простотой и тем, как прямо он вел к цели.

На рисунке изображен прибор для этих опытов. Простой электроскоп 1, сделанный из листков золотой фольги, помещен над 20 параллельно поставленными металлическими пластинками 2. Зазор между пластинками только 1 мм, чтобы α-лучи, испускаемые радиоактивной солью 3 (положенной на дне), проходили в камеру электроскопа параллельным пучком. Чтобы удалять эманацию и увеличивать пробег α-лучей, через прибор пропускался водород.

Прикладывая сильное магнитное поле, направленное параллельно плоскостям пластинок 2, можно было почти полностью прекратить ионизацию в камере электроскопа. Таким простым способом Резерфорд показал, что α-лучи представляют собой быстро двигающиеся заряженные частицы. Прикрывая со стороны электроскопа половину зазоров между пластинками, можно было показать, что при одном направлении магнитного поля ионизация прекращается при меньших силах поля, чем при другом направлении. Так было установлено направление отклонения α-лучей магнитным полем и отсюда выведено, что знак заряда α-частиц положителен. Создавая между пластинками 2 электрическое поле, поочередно присоединяя их к противоположным полюсам батареи, Резерфорду удалось получить прекращение ионизации и отклонение α-лучей электрическим полем. Из этих данных он определил скорость α-частиц и показал также, что они представляют поток положительно заряженных атомов с большей массой, чем атомы водорода, и с точностью до 10% определил отношение их заряда к массе. Это отношение указывало на то, что α-частицы, по-видимому, соответствуют атомам гелия, дважды ионизованным.

Но надо было точнее доказать, что это действительно гелий. Эта работа была предпринята позднее, в 1909 г., уже в Манчестере, когда он располагал большими запасами радия.

Прибор для этих опытов был тоже чрезвычайно прост. Он изображен на рисунке

В маленькую стеклянную тонкостенную трубочку 1 помещалась эманация радия. Толщина стенок этой трубки была всего лишь 0,01 мм, и быстрые α-частицы могли проходить через стекло, в то время как эманация была изолирована. Эта трубка помещалась в стеклянный сосуд 2, оканчивающийся капиллярной разрядной трубочкой с электродами 5 и 4. Посредством поднятия и опускания ртути в сосуде 2 в пространстве, окружающем трубочку 1, создавался вакуум. Трубочка с эманацией оставалась в приборе в продолжение двух дней, а потом газ, образованный проходящими α-частицами, сжимался поднятием ртути в разрядную трубку. При свечении газа в трубке были видны желтые гелиевые линии, которые доказывали присутствие гелия. Что этот гелий не продиффундировал из трубочки с эманацией, легко показывалось контрольным опытом, при котором эта трубка наполнялась гелием. Тогда гелиевые линии не появлялись в спектре. Так было показано, что α-лучи есть атомы гелия.

Эти два описанных мной опыта исключительно просты, их свободно может сделать любой студент. Но в то же время эти опыты, так правильно поставленные, так прямо ведущие к цели, решали в тот период вопрос первостепенной важности и произвели революцию во взглядах на материю.

Резерфорда не удовлетворяло изучение пучка α-лучей по наблюдению производимой ими ионизации, и он искал метод, каким он мог бы обнаружить отдельные α-частицы. Первое найденное им решение основывалось на методе сцинтилляций.

Еще Крукс заметил, что под влиянием бомбардировки положительными лучами некоторые вещества светятся - люминесцируют. Наиболее ярко светящимся веществом оказалась цинковая обманка. Когда Резерфорд вместе с Гейгером поместили цинковую обманку под микроскоп и направили на нее пучок α-лучей, то вместо того, чтобы видеть в поле зрения микроскопа ровный светящийся фон, они увидели отдельные вспыхивающие точки. Они заключили, что вспышки происходят в тех местах, где α-частицы ударяют о цинковую обманку. Так можно было определить число испускаемых α-частиц по счету вспышек, возникающих в цинковой Обманке.

Другой способ обнаружения α-частиц, открытый Резерфордом, благодаря изобретению усилительных ламп стал теперь еще более могущественным, чем счет сцинтилляций,- это метод счетчика. Этот метод основан на явлении, открытом Таунсендом. Если в газе при пониженном давлении находится острие, то можно подобрать такой потенциал, при котором еще не возникает разряд. Если теперь в окружающем газе произвести даже самую слабую ионизацию хотя бы одной α-частицей, то разряд сразу возникнет на некоторый промежуток времени. В 1908 г. Резерфорд и Гейгер построили первый счетчик, работающий на этом принципе. Он изображен на рисунке. Вместо острия они взяли тонкую проволочку 1, помещенную в цилиндрический сосуд 2. Между проволочкой и цилиндром создавался критический потенциал. Через отверстие 3, закрытое очень тонким слюдяным листком, могут проникать α-лучи, источник которых находится в сосуде 4. Разрядные токи от проволочки регистрируются струнным гальванометром, по отбросам которого можно считать α-частицы. Теперь в счетчике, изобретенном Резерфордом и Гейгером, струнный гальванометр заменяется ламповым усилителем, что делает счетчик чрезвычайно чувствительным. В современном своем виде он является одним из основных приборов, посредством которых только и стало возможным полное изучение космической радиации.

В 1910 г. к нему в лабораторию приехал работать молодой ученый по имени Марсден. Он попросил Резерфорда дать ему какую-нибудь очень простую задачу. Резерфорд поручил ему считать α-частицы, проходящие через вещество, и найти их рассеяние. При этом Резерфорд заметил, что, по его мнению, Марсден ничего особенного не обнаружит. Свои соображения Резерфорд основывал на принятой в то время модели атома Дж. Дж. Томсона. В соответствии с этой моделью атом представлялся сферой размером 10 -8 см с равнораспределенным положительным зарядом, в которую были вкраплены электроны. Гармонические колебания последних определяли спектры лучеиспускания. Нетрудно показать, что α-частицы должны были легко проходить через такую сферу, и особенного рассеяния их нельзя было ожидать. Всю энергию на своем пути α-частицы тратят на то, чтобы выбивать электроны, т. е. ионизовать окружающие атомы.

Марсден под руководством Гейгера стал делать свои наблюдения и скоро заметил, что большинство α-частиц проходит через вещество, но все же существует заметное рассеяние, а некоторые частицы как бы отскакивают назад. Когда это узнал Резерфорд, он сказал: "Это невозможно. Это так же невозможно, как для пули невозможно отскочить от бумаги".

Эта фраза показывает, как конкретно и образно он видел явление.

Изучая закон распределения отразившихся α-частиц, Резерфорд постарался определить, какое распределение поля внутри атома необходимо, чтобы объяснить закон рассеяния, при котором α-частицы могли бы даже возвращаться обратно. Он пришел к выводу, что это возможно тогда, когда весь заряд сосредоточен в центре, а не распределен по всему объему атома. Размер этого центра, названного им ядром, очень мал: 10 -12 -10 -13 см в диаметре. Но куда же тогда поместить электроны? Резерфорд решил, что отрицательно заряженные электроны надо распределить кругом - они могут удерживаться благодаря вращению, центробежная сила которого уравновешивает силу притяжения положительного заряда ядра. Следовательно, модель атома есть не что иное, как некая солнечная система, состоящая из ядра - солнца и электронов - планет. Так он создал свою модель атома.

Эта модель встретила полное недоумение, так как она противоречила некоторым тогдашним, казавшимся незыблемыми, основам физики. Резерфорд, конечно, понимал, что на основе максвелловской теории электроны, вращаясь вокруг центра, неминуемо должны испускать свет, терять свою кинетическую энергию и рано или поздно упасть на ядро. Идти вразрез с основами максвелловской теории в то время было чрезвычайно трудно. Поэтому модель атома Резерфорда вначале не была признана.

Так продолжалось два года. В это время к Резерфорду приехал работать молодой датский ученый Нильс Бор. Они часто обсуждали эту модель атома. Для Бора также было ясно, что принципы строения этой модели не находятся в соответствии с теми законами, которые было принято тогда считать основными. И Бор начал работать над этим парадоксом. Он верил в экспериментальную обоснованность модели Резерфорда, но надо было найти ей теоретическое обоснование. Ему пришла гениальная мысль применить для этого обоснования только тогда появившиеся идеи квантовой теории излучения. Они были выдвинуты сперва Планком и значительно обобщены Эйнштейном.

В 1913 г. Бор дает обоснование модели атома Резерфорда, которая теперь носит название модели Бора - Резерфорда и является той основой, на которой покоится вся современная атомная физика.

Одной из основных черт Резерфорда при его экспериментировании была исключительная наблюдательность, уменье обобщить явление, выяснить самое важное, самое нужное. Это можно проследить на ряде примеров. Когда он открыл эманацию тория, то он исходил из наблюдения разницы в ионизации, производимой торием при открытой и закрытой дверце электроскопа. Казалось, что поток воздуха, проходящий через препарат, изменяет радиоактивность самого тория. Резерфорд стал собирать этот воздух и сразу обнаружил, что он сам радиоактивен. Это и было открытием эманации. Большинство ученых, увидя разницу, начало было изучать явление либо при закрытой, либо при открытой дверце. Резерфорд же сразу ставит вопрос, почему это явление происходит так, а не иначе, и сейчас же старается уяснить себе, в чем тут дело. Вот этот неизменно возникающий вопрос "почему?" и таил в себе ключ к великим открытиям.

Вот другой случай. Его замечательная наблюдательность проявилась и при открытии искусственного разложения вещества. Дело в том, что когда наблюдали сцинтилляции, то часто оказывалось, что из бомбардируемого вещества вылетают лучи с очень длинным пробегом - гораздо более длинным, нежели пробег бомбардирующих α-частиц. Их наблюдали все, часто о них говорили, но никто не пытался их объяснить, никто не задавал себе вопроса "почему?". Резерфорд решил, что это явление надо проанализировать и попытаться выяснить, в чем дело. Вскоре объяснение было найдено. Оказалось, что под влиянием бомбардировки а-лучами атомы азота, всегда присутствующего в воздухе, распадаются. Этим и объяснялись длинные пробеги. Резерфорд поставил свои опыты исключительно просто. На рисунке

изображен его прибор. Герметическую камеру 1 через два крана можно заполнить газом при различных давлениях (2 - источник α-частиц, 3 - экран, на котором наблюдают сцинтилляции с помощью микроскопа 4). Экран со стороны источника α-частиц покрыт серебряной пластинкой, которая поглощает значительную часть энергии их пробега. Наполняя камеру 1 азотом, Резерфорд наблюдал, что при некотором давлении большинство сцинтилляций пропадает. Это происходит тогда, когда α-частицы, испускаемые радиоактивным источником, тратят всю энергию на ионизацию воздуха, и не доходят до экрана. Но остающиеся сцинтилляции указывали на присутствие очень малого количества α-частиц с пробегом в несколько раз больше пробега α-частиц, испускавшихся источником. Если вместо азота взять другой газ, например углекислоту или кислород, то таких остаточных сцинтилляций не появляется. Единственное объяснение в том, что они появляются из азота. Так как энергия остаточных α-частиц больше, чем первичных, то они могут появляться только за счет разложения ядра атома азота. Так было доказано разложение азота и принципиально решена задача алхимии.

Такая простота постановки вопроса, так просто экспериментально оформленная, не может не поразить любого исследователя, не только физика. Подобная простота является исключительно гениальной, в особенности когда она ведет к таким поразительным результатам.

Многие говорят, что Резерфорд обладал исключительной интуицией - он как бы чувствовал, как сделать опыт и что искать. Под интуицией обычно подразумевается какой-то бессознательный процесс, который идет внутри человека,- это то, чего нельзя объяснить, что подсознательно приводит к правильному решению. Я лично думаю, что, может быть, это отчасти и правда, но во всяком случае это сильно преувеличено. Для обычного читателя просто неизвестно то колоссальное количество работы, которое производит ученый. Он узнает только ту часть, которая ведет к определенным результатам. Наблюдая Резерфорда вблизи, можно было видеть, какое колоссальное количество работы он выполнял. Его энергия и энтузиазм были неисчерпаемы. Он все время работал и все время искал чего-то нового. Резерфорд публиковал и доводил до сведения своих товарищей ученых только работы с положительными результатами, и вряд ли они составляли больше нескольких процентов той громадной работы, которую он проводил; остальное не только не было опубликовано, но вообще оставалось неизвестным даже его ученикам. Иногда только по отдельным намекам, прорывавшимся в разговоре с ним, можно было уловить, что он нечто пробовал, но у него не вышло. Он не любил говорить о проектах своих работ и охотнее говорил только о том, что уже сделано и дало результаты.

Одним из блестящих примеров его исключительной проницательности является открытие нейтрона. Нейтрон- это материальная частица, по массе равная ядру водорода, но не несущая никакого заряда. Экспериментальное доказательство существования такой частицы было сделано Чадвиком - ближайшим учеником Резерфорда - в Кембридже в 1932 г. За это открытие Чадвик получил Нобелевскую премию. Он изучал одно явление, при котором в результате бомбардировки бериллия γ-лучами полония получились чрезвычайно проникающие лучи. Ему удалось показать, что это не были γ-лучи. Впервые эта радиация была обнаружена Боте и исследована затем супругами Жолио-Кюри, но объяснить ее удалось только Чадвику, который доказал, что в данном случае мы имеем дело с нейтронами. Открытие нейтрона играет огромную роль в современной ядерной физике, так как нейтрон является одной из основных элементарных частиц, из которых построены ядра всех элементов. Оказывается, что Резерфорд за 12 лет до открытия нейтрона чрезвычайно подробно предсказал возможность его существования. Вот выдержка из лекции Резерфорда в Королевском обществе, прочитанной в 1920 г.:

"Если мы правы в этом предположении,- говорил резерфорд,- то очень вероятно, что один электрон может связывать два ядра водорода или, что также возможно, одно ядро водорода. В первом случае это влечет за собой возможность существования атома с массой, равной почти 2, и с одним зарядом, который должен рассматриваться как изотоп водорода. В другом же случае это приводит к мысли о возможности существования атома, масса которого 1 и ядерный заряд 0.

Такое атомное образование не представляется невозможным. Современные взгляды таковы, что нейтральный атом водорода рассматривается как ядро с единичным зарядом, к которому на некотором расстоянии присоединен электрон, и спектр водорода объясняется движением этого удаленного электрона. При некоторых условиях, однако, электрон может быть связан с ядром водорода сильнее, образуя нечто вроде нейтрального дублета. Такой атом имел бы новые свойства. Его внешнее поле было бы практически равно нулю повсюду, за исключением области, прилегающей непосредственно к ядру. И по этой причине он мог бы свободно проходить через вещество. Его присутствие было бы трудно уловимо спектроскопом, и, вероятно, его было бы невозможно сохранить в закрытом сосуде. С другой стороны, он должен был бы свободно входить в структуру атомов и мог бы или соединяться с ядром, или быть разложенным его сильным полем, результатом чего возможен был бы вылет заряженного атома водорода или электрона или же их обоих".

Таким образом, Резерфорд задолго предсказал все те основные моменты, по которым стала развиваться вся ядерная физика после открытия Чадвика и Жолио-Кюри.

Я не назвал бы этот процесс интуицией. Это процесс глубокого мышления и глубокого экспериментирования. Мы все знали, что Резерфорд сам искал нейтрон - он искал его долго и настойчиво, но не нашел его там, где искал. В этой ситуации много зависело от случая. По, чему надо было выбрать бериллий и полоний, а не другие вещества - этого нельзя было предвидеть теорией. Тут надо было просто упорно искать...

Смерть Резерфорда - очень тяжелый удар для ученых всего мира. В нем наука потеряла величайшего со времен Фарадея пионера физических исследований. В продолжение всей своей жизни, столь плодотворной научными открытиями, он работал над самыми фундаментальными проблемами современной теории атома.

Его можно рассматривать не только как создателя новой главы в науке, но и как создателя целой новой науки - физики ядра.

Уже с 1896 г., совсем молодым человеком, он начал изучать радиоактивность, которая только была открыта, и с тех пор его работа, продолжавшаяся 40 лет, каждый год давала человечеству новые открытия и новые идеи, которые были руководящими в атомной физике во всем мире.

Его влияние на международную науку значительно усилилось благодаря большому количеству учеников всех национальностей, в том числе ряда советских ученых, которые работали в лаборатории Резерфорда. Его самоотверженность и необычайная индивидуальность заслужили с их стороны не только уважение и восхищение, но также и глубокую любовь. Так была создана вокруг него самая крупная школа физиков, которая когда-либо существовала. И мы легко понимаем, почему его смерть ощущалась многими учеными как большая личная потеря.

Сэр Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford). Родился 30 августа 1871 года в Спринг Грув, Новая Зеландия - умер 19 октября 1937 года в Кембридже. Британский физик новозеландского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния α-частиц доказал существование в атомах положительного заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. На основе результатов опыта создал планетарную модель атома.

Резерфорд родился в Новой Зеландии в небольшом посёлке Спринг-Грув (англ. Spring Grove), расположенном на севере Южного острова близ города Нельсона, в семье фермера, выращивавшего лён. Отец - Джеймс Резерфорд, иммигрировал из г. Перт (Шотландия). Мать - Марта Томпсон, родом из Хорнчёрча, графство Эссекс, Англия. В это время другие шотландцы эмигрировали в Квебек (Канада), но семье Резерфорд не повезло и бесплатный билет на пароход правительство предоставило до Новой Зеландии, а не до Канады.

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.

Его магистерская работа, написанная в 1892 году, называлась «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах». Работа касалась обнаружения высокочастотных радиоволн, существование которых было доказано в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем. Резерфордом был придуман и изготовлен прибор - магнитный детектор, один из первых приёмников электромагнитных волн.

Закончив университет в 1894 году, Резерфорд в течение года был преподавателем в средней школе.

Наиболее одарённым молодым подданным британской короны, проживавшим в колониях, один раз в два года предоставлялась особая Стипендия имени Всемирной выставки 1851 года - 150 фунтов в год, дававшая возможность поехать для дальнейшего продвижения в науке в Англию. В 1895 году Резерфорд был удостоен этой стипендии, так как тот, кто её сначала получил - Маккларен, отказался от неё. Осенью того же года, заняв деньги на билет на пароход до Великобритании, Резерфорд прибывает в Англию в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета и становится первым докторантом её директора Джозефа Джона Томсона.

1895 год был первым годом, когда (по инициативе Дж. Дж. Томсона) студенты, закончившие другие университеты, могли продолжать научную работу в лабораториях Кембриджа. Вместе с Резерфордом этой возможностью воспользовались, записавшись в Кавендишскую лабораторию, Джон Мак-Леннан, Джон Таунсенд и Поль Ланжевен. С Ланжевеном Резерфорд работал в одной комнате и подружился с ним, эта дружба продолжалась до конца их жизни.

В том же 1895 году была заключена помолвка с Мэри Джорджиной Ньютон (1876-1945) - дочерью хозяйки пансиона, в котором жил Резерфорд. (Свадьба состоялась в 1900 году, 30 марта 1901 года у них родилась дочь - Эйлин Мэри (1901-1930), впоследствии жена Ральфа Фаулера, известного астрофизика.)

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.

Получив широкую известность благодаря своим работам в области радиоактивности, Резерфорд становится востребованным учёным и получает многочисленные предложения работы в научно-исследовательских центрах различных стран мира. Весной 1907 года он покидает Канаду и начинает профессорскую деятельность в университете Виктории (ныне - Манчестерский университет) в Манчестере (Англия), где его зарплата стала выше примерно в 2,5 раза.

В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».

Получив 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) .

Важным и радостным событием в жизни стало избрание учёного членом Лондонского Королевского общества в 1903 году, а с 1925 по 1930 года он занимал пост его президента. В 1931 - 1933 годах Резерфорд был президентом Института Физики.

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.

Свой геральдический герб, утверждённый в 1931 году, пэр Англии барон Резерфорд Нельсон (так стал зваться великий физик после возведения в дворянское звание) увенчал птицей киви, символом Новой Зеландии. Рисунок герба - изображение экспоненты - кривой, характеризующей монотонный процесс убывания со временем числа радиоактивных атомов.

Научные достижения Резерфорда:

Согласно воспоминаниям , 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).

Он мало пользовался формулами и мало прибегал к математике, но был гениальным экспериментатором, напоминая в этом отношении Фарадея. Отмечаемым Капицей важным качеством Резерфорда как экспериментатора была его наблюдательность. В частности, благодаря ей он открыл эманацию тория, заметив различия в показаниях электроскопа, измерявшего ионизацию, при открытой и закрытой дверце в приборе, перекрывавшей поток воздуха. Другой пример - открытие Резерфордом искусственной трансмутации элементов, когда облучение ядер азота в воздухе альфа-частицами сопровождалось появлением высокоэнергичных частиц (протонов), имевших больший пробег, но очень редких.

1904 год - «Радиоактивность»
1905 год - «Радиоактивные превращения»
1930 год - «Излучения радиоактивных веществ» (в соавторстве с Дж. Чедвиком и Ч. Эллисом).

12 учеников Резерфорда стали лауреатами Нобелевской премии по физике и химии. Один из наиболее талантливых учеников Генри Мозли, экспериментально показавший физический смысл Периодического закона, погиб в 1915 году на Галлиполи в ходе Дарданелльской операции. В Монреале Резерфорд работал с Ф. Содди, О. Ханом; в Манчестере - с Г. Гейгером (в частности, помог тому разработать счётчик для автоматического подсчёта числа ионизирующих частиц), в Кембридже - с Н. Бором, П. Капицей и многими другими знаменитыми в будущем учёными.

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.

В магнитном поле пучок распадался на три части. Две составляющие первичного излучения отклонялись в противоположные стороны, что указывало на наличие у них зарядов противоположных знаков. Третья составляющая сохраняла прямолинейность распространения. Излучение, обладающее положительным зарядом, получило название альфа-лучи, отрицательным - бета-лучи, нейтральным - гамма-лучи.

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.

Таким образом, было установлено, что при заряде, равном двум элементарным, альфа-частица имеет четыре атомные единицы массы. Из этого следует, что альфа-излучение - это поток ядер гелия.

В 1920 году Резерфорд высказал предположение, что должна существовать частица массой, равной массе протона, но не имеющая электрического заряда - нейтрон. Однако обнаружить такую частицу ему не удалось. Её существование было экспериментально доказано Джеймсом Чедвиком в 1932 году.

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.

Поскольку ядра атомов химических элементов достаточно устойчивы, Резерфорд предположил, что для их преобразования или разрушения нужна очень большая энергия. Первое ядро, подвергнутое искусственному преобразованию - ядро атома азота. Бомбардируя азот альфа-частицами с большой энергией, Резерфорд обнаружил появление протонов - ядер атома водорода.

Резерфорд - один из немногих лауреатов Нобелевской премии, кто сделал свою самую известную работу после её получения. Совместно с Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом в 1909 году, он провёл эксперимент, который продемонстрировал существование ядра в атоме. Резерфорд попросил Гейгера и Марсдена в этом эксперименте искать альфа-частицы с очень большими углами отклонения, что не ожидалось от модели атома Томсона в то время. Такие отклонения, хотя и редкие, были найдены, и вероятность отклонения оказалась гладкой, хотя и быстро убывающей функцией угла отклонения.

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.

За добрый нрав Капицa прозвал Резерфорда «Крокодилом». В 1931 году «Крокодил» выхлопотал 15 тысяч фунтов стерлингов на постройку и оборудование специального здания лаборатории для Капицы. В феврале 1933 года в Кембридже состоялось торжественное открытие лаборатории. На торцевой стене 2- этажного здания был высечен по камню огромный, во всю стену крокодил. Его по заказу Капицы сделал известный скульптор Эрик Гилл. Резерфорд сам объяснил, что это он. Входную дверь открыли позолоченным ключом в форме крокодила.

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» .

Первая страница статьи Э. Резерфорда в журнале Philosophical Magazine, 6, 21 (1911), в которой впервые водится понятие «атомное ядро».

Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир - субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики.

1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро.

В июньском 1911 г. номере журнала «Philosophical Magazine» была опубликована работа Э. Резерфорда «Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома», в которой впервые было введено понятие «атомное ядро» .
Э.Резерфорд проанализировал результаты работы Г. Гейгера и Э.Марсдена по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге, в которой совершенно неожиданно было обнаружено, что небольшое число α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Этот результат противоречил господствовавшей в то время модели атома Дж. Дж. Томсона, согласно которой атом состоял из отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества равномерно распределенного внутри сферы радиуса R ≈ 10 - 8 см. Для объяснения результатов, полученных Гейгером и Марсденом, Резерфорд разработал модель рассеяния точечного электрического заряда другим точечным зарядом на основе закона Кулона и законов движения Ньютона и получил зависимость вероятности рассеяния α-частиц на угол θ от энергии E налетающей α-частицы

Измеренное Гейгером и Марсденом угловое распределение α-частиц можно было объяснить только в том случае, если предположить, что атом имеет центральный заряд, распределенный в области размером <10 -12 см. Результирующий заряд ядра приблизительно равен Ae/2, где A - вес атома в атомных единицах массы, e - фундаментальная единица заряда. Точность определения величины заряда ядра золота составила ≈ 20%. Так возникла планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален - положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда ядра Z.

В 1910 г. к Резерфорду в лабораторию приехал работать молодой ученый по имени Марсден. Он попросил Резерфорда дать ему какую-нибудь очень простую задачу. Резерфорд поручил ему считать α-частицы, проходящие через материю, и найти их рассеяние. При этом Резерфорд заметил, что по его мнению Марсден ничего заметного не обнаружит. Свои соображения Резерфорд основывал на принятой в то время модели атома Томсона. В соответствии с этой моделью атом представлялся сферой размером 10 -8 см с равнораспределенным положительным зарядом, в которую были вкраплены электроны. Гармонические колебания последних определяли спектры лучеиспускания. Легко показать, что α-частицы должны были легко проходить через такую сферу, и особенного рассеяния их нельзя было ожидать. Всю энергию на пути своего пробега α-частицы тратили на то, чтобы выбрасывать электроны, которые ионизировали окружающие атомы.
Марсден под руководством Гейгера стал делать свои наблюдения и скоро заметил, что большинство α-частиц проходит через материю, но все же существует заметное рассеяние, а некоторые частицы как бы отскакивают назад. Когда это узнал Резерфорд, он сказал:
— Это невозможно. Это так же невозможно, как для пули невозможно отскочить от бумаги.
Эта фраза показывает, как конкретно и образно он видел явление.
Марсден и Гейгер опубликовали свою работу, а Резерфорд сразу решил, что существующее представление об атоме неправильно и его надо в корне пересмотреть.
Изучая закон распределения отразившихся α-частиц, Резерфорд постарался определить, какое распределение поля внутри атома необходимо, чтобы определить закон рассеивания, при котором α-частицы могут даже возвращаться обратно. Он пришел к выводу, что это возможно тогда, когда весь заряд сосредоточен не по всему объему атома, а в центре. Размер этого центра, названного им ядром, очень мал: 10 -12 —10 -13 см в диаметре. Но куда же тогда поместить электроны? Резерфорд решил, что отрицательно заряженные электроны надо распределить кругом — они могут удерживаться благодаря вращению, центробежная сила которого уравновешивает силу притяжения положительного заряда ядра. Следовательно, модель атома есть не что иное, как некая солнечная система, состоящая из ядра — солнца и электронов — планет. Так он создал свою модель атома.
Эта модель встретила полное недоумение, так как она противоречила некоторым тогдашним, казавшимся незыблемыми, основам физики .

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1909-1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена

Г. Гейгер и Э. Марсден увидели, что при прохождении через тонкую фольгу из золота большинство α-частиц, как и ожидалось, пролетает без отклонения, но неожиданно было обнаружено, что часть α-частиц отклоняется на очень большие углы. Некоторые α-частицы рассеивались даже в обратном направлении. Расчеты напряженности электрического поля атомов в моделях Томсона и Резерфорда показывают существенное различие этих моделей. Напряжённость поля положительного заряда распределенного по поверхности атома в случае модели Томсона ~10 13 В/м. В модели Резерфорда положительный заряд, находящийся в центре атома в области R < 10 -12 см создаёт напряженности поля на 8 порядков больше. Только такое сильное электрического поле массивного заряженного тела может отклонить α-частицы на большие углы, в то время как в слабом электрическом поле модели Томсона это было невозможно.

Э. Резерфорд, 1911 г. «Хорошо известно, что α- и β-частицы при столкновении с атомами вещества испытывают отклонение от прямолинейного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у β-частиц нежели у α-частиц, т.к. они обладают значительно меньшими импульсами и энергиями. Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка α- или β-лучей при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества. Однако наблюдения проведенные Гейгером и Марсденом показали, что некоторое количество α-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол больше 90°. Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении создавалось столь большое отклонение».

1911 г. Э. Резерфорд. Атомное ядро

α + 197 Au → α + 197 Au

Эрнест Резерфорд (1891-1937)

Исходя из планетарной модели атома, Резерфорд вывел формулу описывающую рассеяние α-частиц на тонкой фольге из золота, согласующуюся с результатами Гейгера и Марсдена. Резерфорд предполагал, что α-частицы и атомные ядра с которыми они взаимодействуют можно рассматривать как точечные массы и заряды и что между положительно заряженными ядрами и α-частицами действуют только электростатические силы отталкивания и что ядро настолько тяжелое по сравнению с α-частицей, что оно не смещается в процессе взаимодействия. Электроны вращаются вокруг атомного ядра на характерных атомных масштабах ~10-8 см и из-за малой массы не влияют на рассеяние α-частиц.

Вначале Резерфорд получил зависимость угла рассеяния θ α-частицы с энергией E от величины прицельного параметра b столкновения с точечным массивным ядром. b − прицельный параметр − минимальное расстояние на которое α-частица подошла бы к ядру, если бы между ними не действовали силы отталкивания, θ − угол рассеяния α-частицы, Z 1 e − электрический заряд α-частицы, Z 2 e − электрический заряд ядра.
Затем Резерфорд рассчитал, какая доля пучка α-частиц с энергией E рассеивается на угол θ в зависимости от заряда ядра Z 2 e и заряда α-частицы Z 1 e. Так исходя из классических законов Ньютона и Кулона была получена знаменитая формула рассеяния Резерфорда. Основным при получении формулы было предположение, что в атоме находится массивный положительно заряженный центр, размеры которого R < 10 -12 см.

Э. Резерфорд, 1911 г.: «Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями. В то же время экспериментальные данные недостаточно точны, чтобы можно было отрицать возможности существования небольшой части положительного заряда в виде спутников, находящихся на некотором расстоянии от центра … Следует отметить, что найденное приближенное значение центрального заряда атома золота (100e) примерно совпадает с тем значением, который имел бы атом золота, состоящий из 49 атомов гелия, несущих каждый заряд 2e. Быть может, это лишь совпадение, но оно весьма заманчиво с точки зрения испускания радиоактивным веществом атомов гелия, несущих две единицы заряда».

Дж. Дж. Томсон и Э. Резерфорд

Э. Резерфорд, 1921 г.: «Представление о нуклеарном строении атома первоначально возникло из попыток объяснить рассеяние α-частиц на большие углы при прохождении через тонкие слои материи. Так как α частицы обладают большою массою и большою скоростью, то эти значительные отклонения были в высшей степени замечательны; они указывали на существование весьма интенсивных электрически! или магнитных полей внутри атомов. Чтобы объяснить эти результаты, необходимо было предположить, что атом состоит из заряженного массивного ядра, весьма малых размеров по сравнению с обычно принятой величиной диаметра атома. Это положительно заряженное ядро содержит большую часть массы атома и окружено на некотором расстоянии известным образом распределенными отрицательными электронами; число которых равняется общему положительному заряду ядра. При таких условиях вблизи ядра должно существовать весьма интенсивное электрическое поле и α-частицы, при встрече с отдельным атомом проходя вблизи от ядра, отклоняются на значительные углы. Допуская, что электрические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния в области, прилегающей к ядру, автор получил соотношение, связывающее число α-частиц, рассеянных на некоторый угол с зарядом ядра и энергией α-частицы.
Вопрос о том, является ли атомное число элемента действительной мерой его нуклеарного заряда, настолько важен, что для разрешения его должны быть применены все возможные методы. В настоящее время в кавендишевской лаборатории ведется несколько исследований с целью проверки точности этого соотношения. Два наиболее прямых метода основаны на изучения рассеяния быстрых α- и β-лучей. Первый метод применяется Chadwick"oм, пользующимся новыми приемами; последний - Crowthar"oм. Результаты, полученные до сих пор Chadwick"oм, вполне подтверждают тождество атомного числа с нуклеарным зарядом в пределах возможной точности эксперимента, которая у Chadwick"a составляет около 1%».

Несмотря на то, что комбинация двух протонов и двух нейтронов исключительно устойчивое образование, в настоящее время считается, что α-частицы не входит в состав ядра в качестве самостоятельного структурного образования. В случае α-радиоактивных элементов энергия связи α-частицы больше, чем энергия которую необходимо затратить на то, чтобы по отдельности удалить из ядра два протона и два нейтрона, поэтому α-частица может быть испущена из ядра, хотя она не присутствует в ядре как самостоятельное образование.
Предположение Резерфорда о том, что атомное ядро может состоять из какого-то количества атомов гелия или о положительно заряженных спутниках ядра, было вполне естественным объяснением открытой им α радиоактивности. Представления о том, что частицы могут рождаться в результате различных взаимодействий, в это время еще не существовало.
Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 г. и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило наше представление об окружающем мире. Обогатило науку новыми концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры материи.

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Брайтуотере, живописном местечке Новой Зеландии. Он был четвертым ребенком в семье выходцев из Шотландии Джеймса Резерфорда и Марты Томсон, и из двенадцати детей он оказался наиболее одаренным. Эрнест блестяще закончил начальную школу, получив 580 баллов из 600 возможных и премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования.
В колледже в Нельсоне, где Эрнеста Резерфорда приняли в пятый класс, учителя обратили внимание на его исключительные математические способности. Но математиком Эрнест не стал. Не стал он и гуманитарием, хотя проявлял недюжинные способности к языкам и литературе. Судьбе угодно было распорядиться, чтобы Эрнест увлёкся естественными науками -- физикой и химией.
После окончания колледжа Резерфорд поступил в Кентерберийский университет, и уже на втором курсе он выступил с докладом "Эволюция элементов", в котором высказал предположение, что химические элементы представляют собой сложные системы, состоящие из одних и тех же элементарных частиц. Студенческий доклад Эрнеста не был должным образом оценён в университете, однако его экспериментальные работы, например, создание приёмника электромагнитных волн, удивили даже крупных учёных. Спустя всего несколько месяцев ему была присуждена "стипендия 1851 года", которой отмечались самые талантливые выпускники провинциальных английских университетов.
После этого Резерфорд в течение трёх лет работал в Кембридже, в Кавендишской лаборатории, под руководством известного физика Джозефа-Джона Томсона. В 1898 г. он начал изучать радиоактивность. Первое же фундаментальное открытие Резерфорда в этой области - обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном -- сделало его имя известным в научном мире; благодаря ему в науку вошло понятие об альфа- и бета-излучении.
В том же году 26-летнего Резерфорда пригласили в Монреаль в качестве профессора Мак-Гиллского университета -- лучшего в Канаде. Этот университет получил название по имени своего основателя -- переселенца из Шотландии, которому под конец жизни удалось разбогатеть. Перед отъездом Резерфорда в Канаду Дж. Томсон вручил ему рекомендательное письмо, где было написано: "В моей лаборатории ещё никогда не было молодого учёного с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как господин Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, то создаст выдающуюся школу физиков в Монреале…". Предсказание Томсона сбылось. Резерфорд проработал в Канаде 10 лет и действительно создал там научную школу.
В 1903 г. 32-летний ученый был избран членом Лондонского Королевского общества -- британской Академии наук.
В 1907 г. Резерфорд вместе с семьей переезжает из Канады в Англию, чтобы занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. Сразу же после приезда Резерфорд занялся экспериментальными исследованиями радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882-1945), разработавший ионизационный метод измерения интенсивности излучения - широко известный счетчик Гейгера. Резерфорд произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. Вместе с другим своим учеником, Эрнестом Марсденом (1889-1970), он исследовал особенности прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластинки. На основании этих опытов ученый предложил планетарную модель атома: в центре атома - ядро, вокруг которого вращаются электроны. Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных ядер легких элементов и искусственных ядерных превращений.
В течение 18 лет - с 1919 года и до конца своей жизни - Резерфорд возглавлял основанную в 1874 году Кавендишскую лабораторию. До него ею руководили великие английские физики Максвелл, Релей и Томсон. Резерфорд не дожил всего нескольких лет до того, как немецкие физики Отто Ган (1879-1968) и Лизе Майтнер (Мейтнер) (1878-1968) открыли деление урана.
По словам Патрика Блэкетта, одного из ближайших сотрудников Резерфорда, это открытие "в известном смысле явилось последним из великих открытий в ядерной физике, отличающейся от физики элементарных частиц. Резерфорд не дожил до кульминационного пункта развития направления, которое фактически было областью его научной деятельности ".

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».