Биография эрнеста резерфорда. Биография Открытия резерфорда кратко

РЕЗЕРФОРД Эрнест
(Rutherford E.)

(30.VIII.1871 - 19.Х.1937)

Английский физик, член Лондонского королевского общества (с 1903 г.), его президент в 1925-1930 гг.
Родился в Спринг-Броуве (ныне Брайтуотер) в Новой Зеландии. Окончил Кентерберийский колледж Новозеландского университета в Крайстчерче (1894 г.).
В 1895-1898 гг. работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета под руководством физика Дж. Дж. Томсона, в 1898-1907 гг. - профессор Мак-Гиллского университета в Монреале (Канада), в 1907-1919 гг. - Манчестерского университета.
С 1919 г. - профессор Кембриджского университета и директор Кавендишской лаборатории.

Научные исследования посвящены атомной и ядерной физике и имеют непосредственное отношение к химии.

Заложил основы современного учения о радиоактивности и теории строения атома .
Показал (1899 г.), что уран испускает два вида лучей, и назвал их альфа- и бета-лучами. Открыл (1900 г.) эманацию тория (торон).
Совместно с Ф. Содди разработал (1902 г.) основные положения теории радиоактивного распада, которая сыграла решающую роль в развитии учения о радиоактивности.
Совместно с Содди открыл (1902 г.) новый радиоэлемент торий-Х (радий-224) и доказал химическую инертность двух радиоактивных газов - радона-220 и радона-222.
Совместно с Содди дал четкую формулировку (1903 г.) закона радиоактивных превращений, выразив его в математической форме, и ввел понятие "период полураспада ".
Теорию радиоактивного распада обосновал экспериментально. Совместно с немецким физиком Г. Гейгером сконструировал (1908 г.) прибор для регистрации отдельных заряженных частиц и доказал (1909 г.), что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия.
Сформулировал закон рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов и предположил (1911 г.) существование положительно заряженного ядра в атоме.
Предложил (1911 г.) планетарную модель атома .
Показал (1914 г.) идентичность рентгеновских спектров изотопов, доказав этим равенство порядковых номеров у изотопов данного элемента.
Бомбардировал (1919 г.) альфа-частицами атомы азота, в результате чего они превратились в атомы кислорода. Таким образом, он осуществил искусственное превращение элементов .
Предсказал (1920 г.) существование и возможные свойства нейтрона, существование атома водорода с массой 2 (дейтерия) и предложил называть ядро атома водорода протоном.
Совместно с Дж. Чедвиком бомбардировкой альфа-частицами разрушил (1921 г.) ядра бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора, положив, таким образом, начало изучению искусственных ядерных превращений.

Создал большую школу физиков.

Президент Британской ассоциации содействия развитию науки (1923 г.). Член многих академий наук и научных обществ. Иностранный почетный член АН СССР (с 1925 г.).

Нобелевская премия (1908 г.).

По материалам биографического справочника "Выдающиеся химики мира" (авторы Волков В.А и др.) - Москва, "Высшая школа", 1991 г.

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 г. в деревне Спринг Гроув (известной также под названием Брайтуотер) близ г. Нельсона, Новая Зеландия, в семье фермера Джеймса Резерфорда и его жены Марты Томсон (уроженки г. Хорнчёрч, графство Эссекс, Англия).

При рождении, Эрнеста, по ошибке, записали под именем Ёрнест (от англ. “earnest” – «серьёзный»). В детстве Эрнест ходит в школу г. Хэвлок, по окончании которой продолжает учёбу в колледже в г. Нельсоне. Он усердно трудится, чтобы поступить в Кентерберийский колледж, бывший подразделением Университета Новой Зеландии. В колледже Эрнест Резерфорд становится главой дискуссионного клуба и принимает активное участие в студенческой жизни.

В Кентерберийском колледже Резерфорд получает высшее образование, защищая звания бакалавра и магистра в области гуманитарных наук, а также бакалавра естественных наук, после чего, на протяжении двух лет, увлечённо занимается исследованиями в области электротехники. В 1895 г. он отправляется в Англию для повышения уровня образования, где с 1895 г. по 1898 г. трудится в Кавендишской лаборатории при Кембриджском университете. Он совершает значительный прорыв (и некоторое время держит рекорд) в обнаружении расстояния, которое определяет длину электромагнитной волны.

Труды, исследования и вклад в науку

В 1898 г. Резерфорд меняет Хью Лонгборна Каллендара на должности профессора физики, основанной благодаря покровительству Уильяма МакДональда, в Университете МакГилла. Именно здесь Резерфорд достигнет высот своей исследовательской деятельности. Его работа в Университете МакГилла увенчается получением в 1908 г. Нобелевской премии в области химии.

Резерфорд занимается глубинными исследованиями и практическим изучением явления радиоактивности. В этот период, в 1899 г., он вводит понятия альфа- и бета-частиц. Этот тип радиационного излучения учёный описывает как два отчётливых (легко различаемых) вида излучения потока частиц элементами торием и ураном. Основываясь на их проникающей способности, Резерфорд чётко излагает различия этих радиационных лучей.

В 1900 г. в Университете Новой Зеландии он получает степень доктора наук. С 1900 г. по 1903 г. к исследовательскому проекту Резерфорда на тему трансмутации элементов в Университете МакГилла присоединяется юный исследователь Фредерик Содди.

Резерфорд открывает и точно описывает, что радиация является следствием спонтанного разложения атомов. Учёный в мельчайших подробностях наблюдает, а в последствие и описывает, что образцу радиоактивного материала требуется определенное время для уменьшения его радиоактивности в 2 раза. Это время Резерфорд называет «периодом полураспада».

Это открытие в дальнейшем получит практическое применение: взяв за единицу измерения равномерную скорость распада вещества, будет определён возраста планеты Земля, оказавшейся намного старше, чем возраст, предполагаемый учёными того времени.

В 1903 г. Резерфорд обнаруживает, что радиация (уже открытая), излучаемая ещё безымянным радием (открытым в 1900 г. французским химиком Полом Виллардом) обладает отличительной чертой (от альфа- и бета-излучений), не описанной прежде. Он также замечает, что новый вид излучения обладает большой проникающей способность, и, не теряя времени, даёт ему самостоятельное название «гамма-излучение». В 1907 г. Резерфорда назначают на должность профессора физики Манчестерского университета. В Манчестере учёный продолжает работать с альфа-излучением. Совместно с Гансом Гейгером, он разрабатывает цинк-сульфидный отражающий экран и ионизационную камеру, предназначенную для подсчёта количества альфа-частиц.

В 1907 г. Резерфорд, вместе с Томасом Ройдсом, проводит химический опыт, заключающийся в прохождении альфа-лучей через узкое окно в вакуумную трубку. Лучи неизменно порождают в трубке искровой разряд, в результате чего образовывается спектр, меняющий свою природу аналогично альфа-лучам, накопившимся в трубке. Далее эксперимент показывает, как начинает образовываться чистый спектр газа гелия. Из этого следует, что альфа-лучи почти не ионизируют атомы, а точнее – ядра атомов, гелия.

В 1909 г. объединяет усилия с Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом и проводит опыт Гейгера-Марсдена, нацеленный на обнаружение и наглядную демонстрацию истинной ядерной природы атомов. Эксперимент проводится для получения чётко сформулированных результатов относительно свойств альфа-частиц. Резерфорд предлагает Гейгеру и Марсдену получить отклонение альфа-частиц на большие углы (предрешённых результатов опыта не было, поскольку, на момент его проведения, не существовало ни малейших теорий на этот счёт). Искомые отклонения были найдены, но носили единичный характер и ровную, чётко-организованную функцию угла отклонения. Истолкование и результаты этого эксперимента в 1911 г. выливаются в представление модели атома Резерфорда. Согласно его теории, даже маленькое положительно заряженное ядро имеет вращающиеся вокруг него электроны. В 1919 г. Резерфорд отправляется в Кавендишскую лабораторию, где проводит (первым в истории) опыт по трансмутации одного вещества в другое, превратив с помощью ядерной реакции азот в кислород. Этот опыт он осуществляет совместно с Нильсом Бором, выдвигая при этом теорию о существовании нейтронов и об их предположительном свойстве возмещать отталкивающее свойство положительно заряженных протонов, порождая силу ядерного притяжения, удерживающую ядро от распада.

В 1932 г. эту теорию существования нейтронов доказывает Джеймс Чедвик, получивший в 1935 г. Нобелевскую премию в области физики за это открытие.

Личная жизнь

В 1900 г. Резерфорд женится на Марии Георгине Ньютон. У них рождается дочь, Эйлин Мария.

Награды и почести

В 1908 г. Резерфорд получает Нобелевскую премию за революционные открытия и успешные исследования процесса распада веществ и следующих из него химических свойств радиоактивных веществ. В 1914 г. Резерфорда посвящают в рыцари. В 1916 г. учёного награждают медалью имени сэра Джеймса Гектора. В 1919 г. Резерфорд возвращается в Кавендишскую лабораторию при Кембриджском университете, где его назначают на пост руководителя лаборатории. В это время он становится научным наставником ряда исследователей – Джеймса Чедвика, Джона Дугласа Коккрофта, Эдварда Виктора Эпплтона и Томаса Синтона Уолтона, каждый из которых получил Нобелевскую премию за работы в области атомных реакций, открытия нейтрона, наглядных демонстраций и химических опытов по вопросам элементарных частиц и ионосферы. В 1925 г. Резерфорда награждают почётным орденом «За заслуги» перед Великобританией. В 1931 г. он получает почётный титул барона Резерфорда Нельсонского и Кембриджского в графстве Кембридж.

После смерти, Резерфорда удостаивают чести быть похороненным в Вестминстерском аббатстве, рядом с Дж. Дж. Томсоном и сэром Исааком Ньютоном.

Смерть

Эрнест Резерфорд страдал пупочной грыжей, и оперировать его, в знак особой чести (как носителю британского ордена «За заслуги»), надлежало только титулованному хирургу. Из-за долгих поисков подходящей кандидатуры, время было упущено, и 19 октября 1937 г. в больнице Резерфорд внезапно скончался.

Оценка по биографии

Новая функция! Средняя оценка, которую получила эта биография. Показать оценку

(1871-1937) английский физик, основоположник ядерной физики

Эрнест Резерфорд родился в Спринг-Гроуве (сейчас г. Брайтуотер) в Новой Зеландии, в простой шотландской семье. Его отец, Джеймс Резерфорд, был колесным мастером, а мать, Марта Томсон, - учительницей. Эрнест был четвертым ребенком из двенадцати детей. С детства он был очень наблюдательным и трудолюбивым мальчиком. Окончив начальную школу как лучший ученик, Эрнест получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нельсон, куда поступил в 1887 году в пятый класс. Уже здесь проявились его исключительные способности к математике; он также хорошо занимался физикой, химией, литературой, латинским и французским языками. Эрнест в детстве увлекался конструированием различных механизмов: строил модели водяных мельниц, машины, даже смастерил фотоаппарат.

Окончив колледж, он поступил в Кентерберийский колледж Новозеландского университета в Крайстчерче. Здесь Резерфорд уже более серьезно начинает заниматься физикой и химией, работает в студенческих кружках и даже является одним из инициаторов создания в университете научного студенческого общества.

Прочитав статью немецкого физика Генриха Герца об открытии электромагнитных волн, Резерфорд решил исследовать их свойства. Но возникла проблема обнаружения приходящих электромагнитных волн. Ему удалось установить, что об их присутствии можно судить по размагничиванию железа. Это было первое настоящее открытие двадцатитрехлетнего Резерфорда.

В 1894 году Эрнест закончил колледж с отличием и получил степень магистра по физике и математике. Он стал учителем физики средней школы, но на этом поприще не преуспел. В 1895 году ему была присуждена самая крупная стипендия - «стипендия 1851 года», которая давала возможность стажировки в лучших лабораториях страны. Осенью 1895 года Резерфорд приехал в Кембридж - научный центр Англии - и начал работать в Кавендишской лаборатории под руководством выдающегося английского физика Джозефа Джона Томсона (1856-1940).

Эрнест продолжает свои исследования в области электромагнитных волн, и в 1896 году ему удается установить радиосвязь на расстоянии около 3 километров. Практическая сторона радиосвязи его мало интересовала, и поэтому он прекращает свои работы в этой области, а передатчик дарит итальянскому инженеру Г. Маркони, использовавшему его в своих исследованиях. В это время Резерфорд совместно с Дж. Дж. Томсоном начинает работы по изучению ионизации газов и воздуха разными методами, включая лучи Рентгена. Но после открытия в 1896 году Беккерелем радиоактивности Резерфорд занялся сравнением лучей Рентгена и Беккереля.

В 1898 году он получил должность профессора физики Мак-Гиллского университета в Монреале и в сентябре этого же года прибыл в Канаду. В Мак-Гиллском университете он проработал 9 лет - до 1907 года - и сделал много важных открытий. В 1898 году Резерфорд приступил к исследованию уранового излучения, результаты которого были опубликованы в 1899 году в статье «Излучение урана и созданная им электропроводность». Исследуя урановое излучение в магнитном поле, Резерфорд установил, что оно состоит из двух составляющих. Первую составляющую, которая отклоняется в одну сторону и легко поглощается листом бумаги, он назвал альфа-лучами, а вторую, отклоняющуюся в противоположную сторону и обладающую большей проникающей способностью, - бета-лучами.

В 1900 году в излучении урана Вилларом была открыта еще одна составляющая, которая не отклонялась в магнитном поле и обладала наибольшей проникающей способностью, она была названа гамма-лучами. В 1900 году, занимаясь изучением радиоактивности тория, Резерфорд открыл новый газ, названный позже радоном. Совместно с английским физиком и химиком Фредериком Содди он в 1902-1903 годах разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. Резерфорд предсказал существование трансурановых элементов. Итогом девятилетней работы ученого в Монреале являются более 50 опубликованных научных статей и книга «Радиоактивность», которая подытожила все известные науке знания об этом явлении.

Имя Резерфорда становится известным, и он получает приглашение занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета и директора физической лаборатории. 24 мая 1907 года Эрнест Резерфорд возвращается в Европу и приступает к работе по разгадке природы альфа-частиц и их прохождения через вещество, изучение которых он начал еще в Канаде. За исследования по превращению элементов и химии радиоактивных веществ ему в 1908 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

В Манчестере Резерфорд создает коллектив выдающихся исследователей из разных стран мира, среди которых были немецкий физик Ганс Гейгер (1882-1945), английский физик Генри Мозли (1887-1915), новозеландский физик, в то время студент последнего курса, Эрнест Марсден (1889-1970) и другие ученые. В атмосфере коллективного научного творчества были сделаны крупнейшие научные открытия Резерфорда. В 1908 году он вместе с Гейгером сконструировал прибор для регистрации отдельных заряженных частиц, получивший название «счетчик Гейгера». В 1909 году выяснил природу альфа-частиц: они являются дважды ионизированными атомами гелия. В 1911 году, основываясь на результатах опытов, проводимых его учениками Марсденом и Гейгером, установил закон рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов, что привело его в мае 1911 года к созданию новой модели атома - планетарной. Согласно этой модели, атом подобен Солнечной системе: в центре расположено массивное положительное ядро диаметром около 10 12 см, вокруг которого по круговым орбитам вращаются отрицательные электроны. Число элементарных положительных зарядов, содержащихся в атомном ядре, совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева, в его оболочке содержится такое же количество электронов, так как атом в целом электро-нейтрален.

Прежде чем Резерфорд смог воскликнуть: «Теперь я знаю, как выглядит атом!», Марсдену и Гейгеру пришлось зафиксировать и подсчитать более 2 миллионов еле видимых сцинтилляций (вспышек) альфа-частиц.

В 1912 году в Манчестер приехал выдающийся датский физик Нильс Бор. Ему удалось устранить противоречия планетарной модели атома, предложенной Резерфордом. В результате его работы появилась модель атома Резерфорда-Бора, положившая начало квантовой и ядерной физике.

В 1914 году Резерфорд выдвинул идею об искусственном превращении атомных ядер. Но начавшаяся Первая мировая война прервала исследования и разбросала дружный коллектив по разным, враждующим друг с другом странам. Сам Резерфорд был привлечен к военным исследованиям и занимался разработкой акустических методов борьбы с немецкими подводными лодками. На фронте в 1915 году в возрасте 28 лет был убит Генри Мозли - один из его лучших учеников, прославивший свое имя крупным открытием в спектроскопии рентгеновских лучей. Джеймс Чедвик находился в немецком плену, Марсден сражался во Франции, а Нильс Бор вернулся в Копенгаген. Лишь после войны Резерфорд смог возобновить свои исследования.

В 1919 году он переезжает в Кембридж, где занимает пост профессора Кембриджского университета и сменяет своего учителя Дж. Дж. Томсона, став директором Кавендишской лаборатории. Этот пост ученый занимал до конца своей жизни. Продолжаемые исследования приносят блестящие результаты: была осуществлена искусственная ядерная реакция превращения азота в кислород, что заложило основы современной физики ядра. В 1920 году Резерфорд предсказал существование нейтрона - нейтральной частицы, равной по массе ядру водорода. Такая частица была обнаружена в 1932 году его учеником и сотрудником Чедвиком, ставшим в связи с этим Нобелевским лауреатом. Руководимая Резерфордом Кавендишская лаборатория стала научной Меккой для ученых-физиков всех стран.

К своим ученикам он относился исключительно заботливо, ласково называя их «мальчиками», не позволял работать в лаборатории дольше шести часов вечера, а по выходным дням не позволял работать совсем. Он руководил своими учениками, как «благодушный отец семейства», и они любовно называли своего учителя «папой». Ежедневно Резерфорд собирал сотрудников за чашкой чая для обсуждения не только научных проблем и результатов экспериментов, но и вопросов политики, искусства и литературы. Великий ученый был начисто лишен всякой чопорности, снобизма и стремления создать вокруг себя обстановку преклонения.

У него учились и советские физики Ю. Б. Харитон, А. И. Лейпунский, К. Д. Синельников, Л. Д. Ландау и другие. В 1921 году к Резерфорду в Кембридж приехал молодой советский физик Петр Леонидович Капица (1894-1984) и проработал там 13 лет. Он стал активным сотрудником и другом Резерфорда, оправдал надежды своего учителя, достигнув выдающихся научных результатов. В 1971 году по инициативе П. Л. Капицы к 100летию со дня рождения ученого в нашей стране была выпущена юбилейная медаль Резерфорда и издано собрание его трудов.

Он был членом всех академий наук мира, с 1925 года - иностранным членом Академии наук Советского Союза; с 1903 года членом Лондонского королевского общества, а с 1925 по 1930 год - его президентом. В 1931 году он получил титул барона и стал лордом Нельсоном. Великий экспериментатор за свои научные заслуги был удостоен всех наград научного мира.

Эрнест Резерфорд умер 19 октября 1937 года в возрасте 66 лет. Его смерть была огромной утратой для науки, многочисленных учеников и всего человечества. Великий физик похоронен в Вестминстерском аббатстве - в соборе Святого Павла, рядом с могилами И. Ньютона, М. Фарадея, Ч. Дарвина, В. Гершеля, в одном из нефов собора, названном «Уголком науки».

30 августа 1871 года родился британский физик новозеландского происхождения, известный как «отец» ядерной физики, также лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года, сэр Эрнест Резерфорд.

Мы решили вспомнить биографию знаменитого ученого и проиллюстрировать ее основные вехи в нашей фотоподборке.

Родился 30 августа 1871 г. в городе Спринг — Броув (Новая Зеландия) в семье шотландских эмигрантов. Отец работал механиком и фермером-льноводом, мать — учительницей. Эрнест был четвёртым из 12 детей Резерфордов и самым талантливым.

Дом в Фоксхилл , где Эрнест провел часть своего детства

«Науки делятся на две группы — на физику и коллекционирование марок»

Уже при окончании начальной школы, как первый ученик, он получил премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования. Благодаря этому Резерфорд поступил в колледж в Нельсоне (Новая Зеландия).

Портрет Резерфорда в 1892 году, когда он был студентом в Кентерберийском колледже

После окончания колледжа юноша сдал экзамены в Кентерберийский университет и здесь серьёзно занялся физикой и химией.

« Если ученый не может объяснить, чем он занимается, уборщице, моющей пол в его лаборатории, значит, он сам не понимает, чем он занимается «

Резерфордом со студентами в Монреале , штат Калифорния. 1899 год

Дж. Дж. Томсон , как и многие выдающиеся профессоры физики в конце 19 века , собрал группу ярких молодых « студентов-исследователей » вокруг себя . Непосредственно среди них находится его протеже Эрнест Резерфорд .

Он участвовал в создании научного студенческого общества и сделал в 1891 г. доклад на тему «Эволюция элементов», где впервые прозвучала идея о том, что атомы — сложные системы, построенные из одних и тех же составных частей.

Ханс Гейгер был у Резерфорда основным партнером в исследовании с 1907 по 1913 год

В период, когда в физике господствовала идея Дж. Дальтона о неделимости атома, эта мысль показалась абсурдной, и молодому Резерфорду даже пришлось извиняться перед коллегами за «явную чепуху».

Эрнест Резерфорд (первый слева в нижнем ряду) с коллегами

Правда, через 12 лет Резерфорд доказал свою правоту. После окончания университета Эрнест стал учителем средней школы, но это занятие было ему явно не по душе. Резерфорду — лучшему выпускнику года — присудили стипендию, и он отправился в Кембридж — научный центр Англии — для продолжения занятий.

Резерфорд (второй слева в верхнем ряду) с одноклассниками в 1896 году

В Кавендишской лаборатории Резерфорд создал передатчик для радиосвязи в радиусе 3 км, но отдал приоритет на его изобретение итальянскому инженеру Г. Маркони, а сам приступил к изучению ионизации газов и воздуха. Учёный заметил, что урановое излучение имеет две составляющие — альфа- и бета-лучи. Это было открытием.

Резерфорд любил хорошую игру в гольф по воскресеньям. Слева-направо: Ральф Фаулер , Ф. У. Астон , Резерфорд , Г. И. Тейлор

В Монреале при изучении активности тория Резерфорд открыл новый газ — радон. В 1902 г. в работе «Причина и природа радиоактивности» учёный впервые высказал мысль о том, что причиной радиоактивности является самопроизвольный переход одних элементов в другие. Он установил, что альфа-частицы заряжены положительно, их масса больше массы атома водорода, а заряд приблизительно равен заряду двух электронов, и это напоминает атомы гелия.

Свадьба Эрнеста и Мэри Резерфорд , 28 июня 1900 г. в Новой Зеландии

В 1903 г. Резерфорд стал членом Лондонского королевского общества, а с 1925 по 1930 г. занимал пост его президента.

Эрнест Резерфорд на Сольвеевском конгрессе 1911 года

В 1904 г. вышел фундаментальный труд учёного «Радиоактивные вещества и их излучения», который стал энциклопедией для физиков-ядерщиков. В 1908 г. Резерфорд стал нобелевским лауреатом за исследования радиоактивных элементов. Руководитель физической лаборатории в Манчестерском университете, Резерфорд создал школу физиков-ядерщиков, своих учеников.

Резерфорд всегда собирал группу ярких молодых талантов вокруг себя. Фото 1910 года

Вместе с ними он занимался исследованием атома ив 1911 г. окончательно пришёл к планетарной модели атома, о чём написал в статье, вышедшей в майском номере «Философского журнала». Модель приняли не сразу, она утвердилась только после её доработки учениками Резерфорда, в частности Н. Бором.

Кокрофт , Резерфорд , и Уолтон в 1932 году

Скульптура молодого Эрнеста Резерфорда. Мемориал в Новой Зеландии

Умер учёный 19 октября 1937 г. в Кембридже. Как и многие великие люди Англии, Эрнест Резерфорд покоится в соборе Святого Павла, в «Уголке науки», рядом с Ньютоном, Фарадеем, Дарённом, Гершелем.

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.