Эрнест Резерфорд

Краткая биография

Жизнь и работа

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Спринг-Гроув, недалеко от Нельсона в Новой Зеландии. Он вырос в большой семье и получил образование в Кентерберийском колледже в Крайстчерче, где изучал математику и физику. Первые его исследования были связаны с магнетизмом и радиоволнами. В 1895 году стипендия позволила ему отправиться в Кембридж и продолжить работу в Кавендишской лаборатории под руководством Джозефа Джона Томсона.

Физика атома тогда только начинала формироваться. После открытия радиоактивности Анри Беккерелем и исследований Марии и Пьера Кюри было ясно, что некоторые вещества самопроизвольно испускают неизвестное излучение, но его природа оставалась неясной. Резерфорд показал, что излучение урана неоднородно, и выделил два его компонента, которые назвал альфа- и бета-излучением. Позднее он установил, что альфа-частицы представляют собой ядра гелия. Эти работы превращали радиоактивность из загадочного свойства вещества в явление, которое можно было исследовать количественно.

В 1898 году Резерфорд стал профессором физики Университета Макгилла в Монреале. Там его важнейшим партнёром стал химик Фредерик Содди. Их совместные эксперименты привели к радикальному для начала XX века выводу: радиоактивный атом может самопроизвольно превращаться в атом другого элемента. Они исследовали закономерности радиоактивного распада и показали, что скорость таких превращений подчиняется определённым законам. Представление об атоме как о неизменной и неделимой единице вещества оказалось несостоятельным. За исследования распада элементов и химии радиоактивных веществ Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии 1908 года.

В 1907 году Резерфорд перешёл в Манчестерский университет. Там вокруг него сложилась группа исследователей, в которую входили Ганс Гейгер и молодой Эрнест Марсден. Они изучали, как альфа-частицы проходят через тонкие металлические пластины. Большинство частиц почти не изменяли направление движения, как и ожидалось. Однако небольшая доля отклонялась на очень большие углы, а некоторые фактически возвращались назад. Такое поведение было трудно совместить с распространёнными моделями, в которых положительный заряд атома был распределён по сравнительно большому объёму.

Решающим шагом стала не только постановка эксперимента, но и его интерпретация. В работе 1911 года Резерфорд показал, что результаты можно объяснить, если практически весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в чрезвычайно малой центральной области — ядре. Альфа-частица, проходящая далеко от ядра, почти не отклоняется; редкая частица, приближающаяся к нему очень близко, испытывает сильное электростатическое отталкивание. Из этих наблюдений возникла ядерная модель атома: размеры ядра несравнимо меньше размеров самого атома, а большая часть атомного объёма не заполнена плотным веществом. Позднее Нильс Бор соединил ядерную структуру Резерфорда с квантовыми идеями и предложил более развитую модель атома.

Исследования Резерфорда на этом не закончились. В экспериментах с бомбардировкой азота альфа-частицами он обнаружил образование быстрых ядер водорода. Работа, опубликованная в 1919 году, стала одним из первых убедительных примеров искусственно вызванной ядерной реакции и показала, что ядра одних элементов можно превращать в другие. В том же году Резерфорд возглавил Кавендишскую лабораторию в Кембридже. Под его руководством работали исследователи, сыгравшие ключевые роли в дальнейшем развитии ядерной физики, включая Джеймса Чедвика, Джона Кокрофта и Эрнеста Уолтона.

Особенность научного стиля Резерфорда состояла в сочетании относительно простых экспериментальных установок с очень сильной физической интерпретацией результатов. Его исследования связали радиоактивный распад, превращение элементов, структуру атома и ядерные реакции в единую область физики. Ядерная модель 1911 года впоследствии была существенно дополнена квантовой механикой и открытием нейтрона, но главный вывод сохранился: атом имеет чрезвычайно компактное ядро, вокруг которого организована электронная структура.