Эрнест Резерфорд, 1-й барон Резерфорд из Нельсона , OM , FRS , HonFRSE [7] (30 августа 1871 г. — 19 октября 1937 г.) — новозеландский физик , один из пионеров атомной и ядерной физики . Его называли «отцом ядерной физики» [8] и «величайшим экспериментатором со времен Майкла Фарадея ». [9] В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии по химии «за исследования распада элементов и химии радиоактивных веществ». Он был первым лауреатом Нобелевской премии из Океании и первым, кто выполнил отмеченную наградой работу в Канаде .
Открытия Резерфорда включают концепцию радиоактивного периода полураспада , радиоактивный элемент радон , а также дифференциацию и наименование альфа- и бета-излучения . Вместе с Томасом Ройдсом Резерфорду приписывают доказательство того, что альфа-излучение состоит из ядер гелия . [10] [11] В 1911 году он выдвинул теорию о том, что заряд атомов сосредоточен в очень маленьком ядре . [12] Это было сделано посредством его открытия и интерпретации рассеяния Резерфорда во время эксперимента с золотой фольгой, проведенного Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом , что привело к его концепции модели атома Резерфорда . В 1917 году он осуществил первую искусственно вызванную ядерную реакцию , проведя эксперименты, в которых ядра азота бомбардировались альфа - частицами. В результате он обнаружил испускание субатомной частицы, которую он первоначально назвал «атомом водорода», но позже (более точно) назвал протоном . [13] [14] Ему также приписывают разработку атомной системы нумерации вместе с Генри Мозли . Среди его других достижений — развитие областей радиосвязи и ультразвуковой технологии.
Резерфорд стал директором Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в 1919 году. Под его руководством в 1932 году Джеймсом Чедвиком был открыт нейтрон . В том же году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон , работавшие под его руководством, провели первый контролируемый эксперимент по расщеплению ядра . В честь своих научных достижений Резерфорд был признан бароном Соединенного Королевства. После своей смерти в 1937 году он был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с могилами Чарльза Дарвина и Исаака Ньютона . В 1997 году в его честь был назван химический элемент резерфордий ( 104 Rf).
Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Брайтвотере , городе недалеко от Нельсона , Новая Зеландия. [15] Он был четвертым из двенадцати детей Джеймса Резерфорда, иммигранта-фермера и механика из Перта , Шотландия, и его жены Марты Томпсон, школьной учительницы из Хорнчерча , Англия. [15] [16] [17] В свидетельстве о рождении Резерфорда ошибочно было написано «Эрнест». В своей семье он был известен как Эрн. [15] [17]
Когда Резерфорду было пять лет, он переехал в Фоксхилл, Новая Зеландия, и посещал школу Фоксхилл. В возрасте 11 лет в 1883 году семья Резерфордов переехала в Хавелок , город в заливе Мальборо . Переезд был сделан, чтобы быть ближе к льнокомбинату, который построил отец Резерфорда. [17] Эрнест учился в школе Хавелок . [18]
В 1887 году со второй попытки он выиграл стипендию на обучение в колледже Нельсона . [17] На первой попытке сдачи экзаменов он получил 75 из 130 баллов по географии, 76 из 130 по истории, 101 из 140 по английскому языку и 200 из 200 по арифметике, в общей сложности 452 из 600 баллов. [19] С этими оценками он был самым высоким среди всех в Нельсоне. [20] Когда ему присудили стипендию, он получил 580 из 600 возможных баллов. [21] После присуждения стипендии школа Хэвлок подарила ему пятитомный сборник книг под названием « Народы мира» . [22] Он учился в колледже Нельсона с 1887 по 1889 год и был старостой в 1889 году. Он также играл в школьной команде по регби. [17] Ему предложили должность кадета на государственной службе, но он отказался, так как ему оставалось еще 15 месяцев обучения в колледже. [23]
В 1889 году, после второй попытки, он выиграл стипендию на обучение в Кентерберийском колледже , Университете Новой Зеландии , между 1890 и 1894 годами. Он участвовал в его дискуссионном клубе и Научном обществе. [17] В Кентербери он получил комплексную степень бакалавра по латыни, английскому языку и математике в 1892 году, степень магистра по математике и физическим наукам в 1893 году и степень бакалавра по химии и геологии в 1894 году. [24] [25]
После этого он изобрел новую форму радиоприемника, и в 1895 году Резерфорд был награжден исследовательской стипендией 1851 года от Королевской комиссии по выставке 1851 года [ 26] [27] для поездки в Англию для прохождения аспирантуры в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета . [28] В 1897 году он получил степень бакалавра и стипендию Куттса-Троттера от Тринити-колледжа в Кембридже . [24]
Когда Резерфорд начал свое обучение в Кембридже, он был одним из первых «инопланетян» (тех, кто не имел кембриджской степени), кому было разрешено проводить исследования в университете, и, кроме того, он был удостоен чести учиться у Дж. Дж. Томсона . [1]
При поддержке Томсона Резерфорд обнаружил радиоволны на расстоянии 0,5 мили (800 м) и некоторое время удерживал мировой рекорд по расстоянию, на котором можно было обнаружить электромагнитные волны, хотя, когда он представил свои результаты на заседании Британской ассоциации в 1896 году, он обнаружил, что его превзошел Гульельмо Маркони , чьи радиоволны передали сообщение на расстояние почти 10 миль (16 км). [29]
Снова под руководством Томсона Резерфорд работал над проводящими эффектами рентгеновских лучей на газы, что привело к открытию электрона , результаты впервые были представлены Томсоном в 1897 году. [30] [31] Услышав об опыте Анри Беккереля с ураном , Резерфорд начал исследовать его радиоактивность , открыв два типа, которые отличались от рентгеновских лучей своей проникающей способностью. Продолжая свои исследования в Канаде, в 1899 году он ввел термины « альфа-луч » и « бета-луч », чтобы описать эти два различных типа излучения . [32]
В 1898 году Резерфорд был принят на должность профессора физики имени Макдональда в Университете Макгилла в Монреале, Канада, по рекомендации Томсона. [33] С 1900 по 1903 год к нему в Макгилле присоединился молодой химик Фредерик Содди ( Нобелевская премия по химии , 1921), которому он поставил задачу идентификации благородного газа, выделяемого радиоактивным элементом торием , веществом, которое само по себе было радиоактивным и покрывало другие вещества. После того, как он исключил все обычные химические реакции, Содди предположил, что это должен быть один из инертных газов, который они назвали торон . Позже было обнаружено, что это вещество является 220 Rn , изотопом радона. [34] [24] Они также нашли другое вещество, которое они назвали торием X, позже идентифицированным как 224 Rn , и продолжили находить следы гелия. Они также работали с образцами «Урана X» ( протактиния ) от Уильяма Крукса и радия от Марии Кюри . Резерфорд дополнительно исследовал торон совместно с Р. Б. Оуэнсом и обнаружил, что образец радиоактивного материала любого размера неизменно требовал одинакового количества времени для распада половины образца (в данном случае 11 1⁄2 минут), явление, для которого он придумал термин « период полураспада ». [34] Резерфорд и Содди опубликовали свою статью « Закон радиоактивного изменения», чтобы объяснить все свои эксперименты. До тех пор предполагалось, что атомы являются неразрушимой основой всей материи; и хотя Кюри предположила, что радиоактивность является атомным явлением, идея распада атомов радиоактивных веществ была радикально новой идеей. Резерфорд и Содди продемонстрировали, что радиоактивность включает в себя спонтанный распад атомов на другую, пока еще не идентифицированную материю. [24]
В 1903 году Резерфорд рассмотрел тип излучения, открытый (но не названный) французским химиком Полем Вилларом в 1900 году, как излучение радия , и понял, что это наблюдение должно представлять собой нечто отличное от его собственных альфа- и бета-лучей из-за его гораздо большей проникающей способности. Поэтому Резерфорд дал этому третьему типу излучения название гамма-лучи . [32] Все три термина Резерфорда сегодня являются стандартными — с тех пор были открыты другие типы радиоактивного распада , но три типа Резерфорда являются одними из самых распространенных. В 1904 году Резерфорд предположил, что радиоактивность обеспечивает источник энергии, достаточный для объяснения существования Солнца в течение многих миллионов лет, необходимых для медленной биологической эволюции на Земле, предложенной биологами, такими как Чарльз Дарвин . Физик лорд Кельвин ранее утверждал , что Земля намного моложе, основываясь на недостаточности известных источников энергии, но Резерфорд указал на лекции, которую посетил Кельвин, что радиоактивность может решить эту проблему. [35] Позже в том же году он был избран членом Американского философского общества , [36] а в 1907 году он вернулся в Великобританию, чтобы занять кафедру физики в Университете Виктории в Манчестере . [37]
В Манчестере Резерфорд продолжил свою работу с альфа-излучением. Совместно с Гансом Гейгером он разработал сцинтилляционные экраны из сульфида цинка и ионизационные камеры для подсчета альфа-частиц. Разделив общий заряд, накопленный на экране, на подсчитанное число, Резерфорд определил, что заряд альфа-частицы равен двум. [38] [39] : 61 В конце 1907 года Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс позволили альфа-частицам проникнуть через очень тонкое окно в вакуумную трубку. Когда они зажигали искру в трубке , полученный спектр изменился, поскольку альфа-частицы накапливались в трубке. В конце концов, появился четкий спектр газообразного гелия, доказав, что альфа-частицы были по крайней мере ионизированными атомами гелия и, вероятно, ядрами гелия. [40] В 1910 году Резерфорд совместно с Гейгером и математиком Гарри Бейтманом опубликовали [41] свою классическую работу [42] : 94, описывающую первый анализ распределения во времени радиоактивного излучения, распределения, которое теперь называется распределением Пуассона .
Эрнест Резерфорд был удостоен Нобелевской премии по химии 1908 года «за исследования распада элементов и химии радиоактивных веществ». [43] [24]
Резерфорд продолжал делать новаторские открытия еще долгое время после получения Нобелевской премии в 1908 году. [39] : 63 Под его руководством в 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден провели эксперимент Гейгера-Марсдена , который продемонстрировал ядерную природу атомов путем измерения отклонения альфа-частиц, проходящих через тонкую золотую фольгу. [44] Резерфорд был вдохновлен и попросил Гейгера и Марсдена в этом эксперименте поискать альфа-частицы с очень большими углами отклонения, что не ожидалось ни одной теорией материи в то время. [45] [46] Такие углы отклонения, хотя и редкие, были обнаружены. Размышляя об этих результатах в одной из своих последних лекций, Резерфорд сказал: «Это было самое невероятное событие, которое когда-либо случалось со мной в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, а он вернулся и поразил вас». [47] Именно интерпретация этих данных Резерфордом привела его к формулировке модели атома Резерфорда в 1911 году, которая представляла собой очень маленькое заряженное ядро , содержащее большую часть массы атома. [48]
В 1912 году к Резерфорду присоединился Нильс Бор (который постулировал, что электроны движутся по определенным орбитам вокруг компактного ядра). Бор адаптировал ядерную структуру Резерфорда, чтобы она соответствовала квантовой гипотезе Макса Планка . Полученная модель Резерфорда–Бора стала основой для квантово-механической атомной физики Гейзенберга, которая остается актуальной и сегодня. [24]
Во время Первой мировой войны Резерфорд работал над совершенно секретным проектом по решению практических проблем обнаружения подводных лодок. И Резерфорд, и Поль Ланжевен предложили использовать пьезоэлектричество , и Резерфорд успешно разработал устройство, которое измеряло его выход. Использование пьезоэлектричества затем стало необходимым для разработки ультразвука , каким он известен сегодня. Однако утверждение, что Резерфорд разработал сонар , является заблуждением, поскольку технологии подводного обнаружения используют преобразователь Ланжевена . [49] [50]
Вместе с Гербертом Мозли Резерфорд разработал систему атомной нумерации в 1913 году. Эксперименты Резерфорда и Мозли использовали катодные лучи для бомбардировки различных элементов потоками электронов и наблюдали, что каждый элемент реагировал последовательно и отчетливо. Их исследование было первым, в котором утверждалось, что каждый элемент может быть определен свойствами его внутренних структур – наблюдение, которое позже привело к открытию атомного ядра . [24] Это исследование привело Резерфорда к теории о том, что атом водорода (в то время наименее массивная сущность, известная как несущая положительный заряд) был своего рода «положительным электроном» – компонентом каждого атомного элемента. [51] [52]
Только в 1919 году Резерфорд расширил свою теорию «положительного электрона» серией экспериментов, начавшихся незадолго до окончания его работы в Манчестере. Он обнаружил, что азот и другие легкие элементы выбрасывают протон, который он назвал «атомом водорода», при столкновении с α (альфа) частицами. [24] В частности, он показал, что частицы, выбрасываемые альфа-частицами, сталкивающимися с водородом, имеют единичный заряд и 1/4 импульса альфа-частиц. [53]
Резерфорд вернулся в Кавендишскую лабораторию в 1919 году, сменив Дж. Дж. Томсона на посту профессора Кавендишской лаборатории и директора лаборатории, и занимал эти должности до своей смерти в 1937 году. [54] За время его пребывания в должности Нобелевские премии были присуждены Джеймсу Чедвику за открытие нейтрона (в 1932 году), Джону Кокрофту и Эрнесту Уолтону за эксперимент, который впоследствии стал известен как расщепление атома с использованием ускорителя частиц , и Эдварду Эпплтону за демонстрацию существования ионосферы .
В 1919–1920 годах Резерфорд продолжил свои исследования «атома водорода», чтобы подтвердить, что альфа-частицы расщепляют ядра азота, и подтвердить природу продуктов. Этот результат показал Резерфорду, что ядра водорода являются частью ядер азота (и, как следствие, вероятно, и других ядер). Такая конструкция предполагалась в течение многих лет на основе атомных весов, которые были целыми кратными атомному весу водорода; см. гипотезу Праута . Водород был известен как самый легкий элемент, а его ядра, предположительно, являются самыми легкими ядрами. Теперь, из-за всех этих соображений, Резерфорд решил, что ядро водорода, возможно, является фундаментальным строительным блоком всех ядер, а также, возможно, новой фундаментальной частицей, поскольку не было известно ничего, что было бы легче этого ядра. Таким образом, подтверждая и расширяя работу Вильгельма Вина , который в 1898 году открыл протон в потоках ионизированного газа , [55] в 1920 году Резерфорд постулировал, что ядро водорода является новой частицей, которую он назвал протоном . [ 56]
В 1921 году, работая с Нильсом Бором, Резерфорд выдвинул теорию о существовании нейтронов (которые он окрестил в своей Бейкерианской лекции 1920 года ), которые могли бы каким-то образом компенсировать отталкивающий эффект положительных зарядов протонов , вызывая притягивающую ядерную силу и, таким образом, удерживать ядра от разлета из-за отталкивания между протонами. Единственной альтернативой нейтронам было существование «ядерных электронов», которые противодействовали бы некоторым зарядам протонов в ядре, поскольку к тому времени было известно, что ядра имеют примерно вдвое большую массу, чем можно было бы учесть, если бы они были просто собраны из ядер водорода (протонов). Но как эти ядерные электроны могли быть захвачены в ядре, было загадкой.
В 1932 году теория нейтронов Резерфорда была доказана его коллегой Джеймсом Чедвиком , который сразу же распознал нейтроны, когда их стали производить другие ученые, а позже и он сам, при бомбардировке бериллия альфа-частицами. В 1935 году Чедвик был удостоен Нобелевской премии по физике за это открытие. [57]
В статье Резерфорда из четырех частей «Столкновение α-частиц с легкими атомами» он сообщил о двух дополнительных фундаментальных и далеко идущих открытиях. [39] : 237 Во-первых, он показал, что при больших углах рассеяние α-частиц водородом отличается от теоретических результатов, которые он сам опубликовал в 1911 году. Это были первые результаты, исследующие взаимодействия, которые удерживают ядро вместе. Во-вторых, он показал, что α-частицы, сталкивающиеся с ядрами азота, будут реагировать, а не просто отскакивать. Одним из продуктов реакции был протон; другим продуктом, как показал Патрик Блэкетт , коллега и бывший студент Резерфорда, был кислород:
Блэкетт был удостоен Нобелевской премии в 1948 году за свою работу по усовершенствованию высокоскоростной камеры Вильсона, которая использовалась для этого открытия и многих других. [58] Поэтому Резерфорд признал, «что ядро может увеличиваться, а не уменьшаться в массе в результате столкновений, в которых выбрасывается протон». [59]
Резерфорд получил значительное признание в своей родной стране Новой Зеландии. В 1901 году он получил степень доктора наук в Университете Новой Зеландии. [28] В 1916 году он был награжден медалью памяти Гектора . [60] В 1925 году Резерфорд призвал правительство Новой Зеландии поддержать образование и исследования, что привело к формированию Департамента научных и промышленных исследований (DSIR) в следующем году. [61] В 1933 году Резерфорд стал одним из двух первых получателей медали TK Sidey , которая была учреждена Королевским обществом Новой Зеландии в качестве награды за выдающиеся научные исследования. [62] [63]
Кроме того, Резерфорд получил ряд наград от британской короны. Он был посвящен в рыцари в 1914 году. [64] Он был назначен к ордену «За заслуги» в новогодних почестях 1925 года . [65] Между 1925 и 1930 годами он был президентом Королевского общества , а затем президентом Совета академической помощи , который помог почти 1000 университетских беженцев из Германии. [9] В 1931 году был повышен до барона Соединенного Королевства под титулом барона Резерфорда из Нельсона , [66] украсив свой герб киви и воином маори . [67] Титул угас после его неожиданной смерти в 1937 году.
Молодой Резерфорд сделал своей бабушке деревянную толкушку для картофеля, которая, как считалось, была сделана во время школьных каникул. Она хранится в коллекции Королевского общества с 1888 года. [68] [69]
В 1900 году Резерфорд женился на Мэри Джорджине Ньютон (1876–1954), [70] с которой он обручился до отъезда из Новой Зеландии, в англиканской церкви Святого Павла, Папануи в Крайстчерче . [71] [72] У них была одна дочь, Эйлин Мэри (1901–1930), которая вышла замуж за физика Ральфа Фаулера . Хобби Резерфорда включали гольф и автомобили . [24]
За некоторое время до своей смерти у Резерфорда была небольшая грыжа , которую он не позаботился вылечить, и она ущемила его, сделав его тяжело больным. Несмотря на экстренную операцию в Лондоне, он умер четыре дня спустя, в Кембридже 19 октября 1937 года в возрасте 66 лет, от того, что врачи назвали «кишечным параличом». [73] После кремации в крематории Голдерс Грин [73] ему была оказана высокая честь быть похороненным в Вестминстерском аббатстве , рядом с Исааком Ньютоном и другими выдающимися британскими учеными , такими как Чарльз Дарвин [24] [74]
Резерфорд считается одним из величайших ученых в истории. На открытии Индийского научного конгресса 1938 года , на котором Резерфорд должен был председательствовать до своей смерти, астрофизик Джеймс Джинс выступил вместо него и назвал его «одним из величайших ученых всех времен», сказав:
В своем чутье на правильный подход к проблеме, а также в простой прямоте своих методов атаки [Резерфорд] часто напоминает нам Фарадея, но у него было два больших преимущества, которых не было у Фарадея, во-первых, буйное физическое здоровье и энергия, а во-вторых, возможность и способность руководить группой энтузиастов-сотрудников. Хотя результаты работы Фарадея были велики, мне кажется, что для того, чтобы сравниться с работой Резерфорда как по количеству, так и по качеству, мы должны вернуться к Ньютону. В некоторых отношениях он был более удачлив, чем Ньютон. Резерфорд всегда был счастливым воином — счастливым в своей работе, счастливым в ее результатах и счастливым в своих человеческих контактах. [75]
Резерфорд известен как «отец ядерной физики», потому что его исследования и работа, проделанная под его руководством в качестве директора лаборатории, установили ядерную структуру атома и сущность радиоактивного распада как ядерного процесса. [8] [76] [30] Патрик Блэкетт , научный сотрудник, работавший под руководством Резерфорда, используя естественные альфа-частицы, продемонстрировал индуцированную ядерную трансмутацию . Позже группа Резерфорда, используя протоны из ускорителя, продемонстрировала искусственно индуцированные ядерные реакции и трансмутацию. [77]
Резерфорд умер слишком рано, чтобы увидеть воплощение идеи Лео Силарда об управляемых цепных ядерных реакциях . Однако, речь Резерфорда об искусственно вызванной им трансмутации в литии, напечатанная в выпуске The Times от 12 сентября 1933 года , как сообщал Силард, вдохновила его на размышления о возможности управляемой цепной ядерной реакции , производящей энергию . [78]
Речь Резерфорда затронула работу 1932 года его студентов Джона Кокрофта и Эрнеста Уолтона по «расщеплению» лития на альфа-частицы путем бомбардировки протонами из ускорителя частиц, который они построили. Резерфорд понял, что энергия, высвобождаемая из расщепленных атомов лития, была огромной, но он также понял, что энергия, необходимая для ускорителя, и его существенная неэффективность в расщеплении атомов таким образом, сделали проект невозможным в качестве практического источника энергии (вызванное ускорителем деление легких элементов остается слишком неэффективным для использования таким образом даже сегодня). Часть речи Резерфорда гласила:
Мы могли бы в этих процессах получить гораздо больше энергии, чем поставлял протон, но в среднем мы не могли бы ожидать получения энергии таким образом. Это был очень плохой и неэффективный способ производства энергии, и любой, кто искал источник энергии в преобразовании атомов, говорил чепуху. Но предмет был интересен с научной точки зрения, потому что он давал понимание атомов. [79] [80]
Элемент резерфордий , Rf, Z=104, был назван в честь Резерфорда в 1997 году. [81]
В состав экспедиции входили профессор Джеймс Мартин Бенаде (профессор физики в христианском колледже Формана в Лахоре) и доктор Назир Ахмад (аспирант Эрнеста Резерфорда в Кембридже, который впоследствии стал первым председателем Пакистанской комиссии по атомной энергии в 1956 г.).
Чжан учился у Эрнеста Резерфорда в середине 1930-х годов и получил степень в Кембриджском университете в 1938 году.