Реклама на портале

Идейная позиция эрнеста резерфорда. Резерфорд открывает атомное ядро

Английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, ин. ч.-к. РАН (1922), поч.ч. АН СССР (1925). Дир. Кавендишской лаборатории (с 1919). Открыл (1899) альфа- и бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совм. с Ф. Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую исскуств. ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона. Ноб. пр. по химии (1908).


Эрнест Резерфорд считается величайшим физиком-экспериментатором двадцатого столетия. Он является центральной фигурой в наших познаниях в области радиоактивности, а также человеком, который положил начало ядерной физике. Помимо своего огромного теоретического значения его открытия получили широкий спектр применения, включая: ядерное оружие, атомные электростанции, радиоактивные исчисления и исследования радиации. Влияние трудов Резерфорда на мир огромно. Оно продолжает расти и, похоже, еще увеличится в будущем.

Резерфорд родился и вырос в Новой Зеландии. Там он поступил в Кентерберийский колледж и к двадцати трем годам получил три степени (бакалавра гуманитарных наук, бакалавра естественных наук, магистра гуманитарных наук). На следующий год ему присудили право на обучение в Кембриждском университете в Англии, где он провел три года как студент-исследователь под руководством Дж. Дж. Томсона, одного из ведущих ученых того времени. В двадцать семь лет Резерфорд стал профессором физики в университете Макджил в Канаде. Там он работал девять лет и в 1907 году вернулся в Англию, чтобы возглавить физический факультет Манчестерского университета. В 1919 году Резерфорд вернулся в Кембридж, на этот раз как директор Кавендишской лаборатории, и оставался на этом посту до конца жизни.

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским ученым Антуаном Анри Беккерелем, когда он проводил эксперименты с урановыми соединениями. Но вскоре Беккерель потерял интерес к этому предмету, и большая часть наших основных знаний в области радиоактивности происходит из широких исследований Резерфорда. (Мари и Пьер Кюри открыли еще два радиоактивных элемента - полоний и радий, но не сделали открытий фундаментального значения.)

Одно из первых открытий Резерфорда заключалось в том, что радиоактивное излучение урана состоит из двух различных компонентов, которые ученый назвал альфа- и бета-лучи. Позже он продемонстрировал природу каждого компонента (они состоят из быстродвижущихся частиц) и показал, что существует еще и третий компонент, который назвал гамма-лучами.

Важная черта радиоактивности - это связанная с ней энергия. Беккерель, супруги Кюри и множество других ученых считали энергию внешним источником. Но Резерфорд доказал, что данная энергия - которая намного мощнее, чем освобождаемая при химических реакциях, - исходит изнутри отдельных атомов урана! Этим он положил начало важной концепции атомной энергии.

Ученые всегда предполагали, будто отдельные атомы неделимы и неизменяемы. Но Резерфорд (с помощью очень талантливого молодого помощника Фредерика Содди) смог пока зать, что когда атом испускает альфа- или бета-лучи, он преобразуется в атом иного сорта. Сначала химики не могли в это поверить. Однако Резерфорд и Содди провели целую серию экспериментов с радиоактивным распадом и трансформировали уран в свинец. Также Резерфорд измерил скорость распада и сформулировал важную концепцию "полураспада". Это вскоре привело к технике радиоактивного исчисления, которое стало одним из важнейших научных инструментов и нашло широкое применение в геологии, археологии, астрономии и во многих других областях.

Эта ошеломляющая серия открытий принесла Резерфорду в 1908 году Нобелевскую премию (позже Нобелевскую премию получил и Содди), но его величайшее достижение было еще впереди. Он заметил, что быстродвижущиеся альфа-частицы способны проходить сквозь тонкую золотую фольгу (не оставляя видимых следов!), но при этом слегка отклоняются. Возникло предположение, что атомы золота, твердые, непроницаемые, как "крошечные бильярдные шары" - как ранее считали ученые, - были мягкими внутри! Все выглядело так, будто меньшие и более твердые альфа-частицы могут проходить сквозь атомы золота как высокоскоростная пуля через желе.

Но Резерфорд (работая с Гейгером и Марсденом, своими двумя молодыми помощниками) обнаружил, что некоторые альфа-частицы, проходя сквозь золотую фольгу, отклоняются очень сильно. Фактически некоторые вообще отлетают назад! Почувствовав, что за этим кроется нечто важное, ученый тщательно посчитал количество частиц, полетевших в каждом направлении. Затем путем сложного, но вполне убедительного математического анализа он показал единственный путь, которым можно было объяснить результаты экспериментов: атом золота состоял почти полностью из пустого пространства, а практически вся атомная масса была сконцентрирована в центре, в маленьком "ядре" атома!

Одним ударом труд Резерфорда навсегда потряс наше привычное видение мира. Если даже кусок металла - кажущийся самым твердым из всех предметов - являлся в основном пустым пространством, значит, все, что мы считали вещественным, вдруг развалилось на крошечные песчинки, бегающие в необъятной пустоте!

Открытие Резерфордом атомных ядер является основой всех современных теорий строения атома. Когда Нильс Бор через два года опубликовал знаменитый труд, описывающий атом как миниатюрную солнечную систему, управляемую квантовой механикой, он использовал для своей модели в качестве отправной точки ядерную теорию Резерфорда. Так же поступили Гейзенберг и Шрёдингер, когда они сконструировали более сложные атомные модели, используя классическую и волновую механику.

Открытие Резерфорда также привело к появлению новой ветви науки: изучение атомного ядра. В этой области Резерфорду тоже было суждено стать пионером. В 1919 году он добился успеха при трансформировании ядер азота в ядра кислорода, обстреливая первые быстродвижущимися альфа-частицами. Это было достижение, о котором мечтали древние алхимики.

Вскоре стало ясно, что ядерные трансформации могут быть источником энергии Солнца. Более того, трансформация атомных ядер является ключевым процессом в атомном оружии и на атомных электростанциях. Следовательно, открытие Резерфорда вызывает гораздо больший интерес, чем просто академический.

Личность Резерфорда постоянно поражала всех, кто с ним встречался. Он был крупным человеком с громким голосом, беспредельной энергией и заметным недостатком скромности. Когда коллеги отмечали сверхъестественную способность Резерфорда всегда находиться "на гребне волны" научных исследований, он сразу отвечал: "А почему бы и нет? Ведь это я вызвал волну, не так ли?" Немногие ученые стали бы возражать против этого утверждения.

(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».

Нобелевская премия по химии 1908 г.

Формулировка Нобелевского комитета: «За проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».

Когда пишешь статью, а не книгу о нобелевском лауреате, существуют 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 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 г. 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 первого героя нашего нобелевского цикла и своего ученика Петра Капицы - Крокодил.

Резерфорда можно считать счастливцем. Родившись дальше, чем в провинции - не в Девоншире каком-нибудь, не в Эдинбурге, и даже не в Сиднее и не в Веллингтоне - в Новозеландской провинции, в фермерской семье - он сумел пробиться, но стипендию имени Всемирной выставки 1851 г. для одаренных провинциалов, получил лишь тогда, когда тот, кому ее присудили, отказался от нее.

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. Дальше разрабатывать детектор ему не дали - все деньги почта Британии поставила на Маркони. И новозеландец записался в Кавендишевскую лабораторию при Кембридже.

Кстати, Кавендишевская лаборатория названа не по имени химика Генри Кавендиша (который был 2-м герцогом Девонширским), а по имени 7-го герцога, Уильяма Кавендиша, канцлера Кембриджа, который пожертвовал денег на открытие лаборатории. Такой себе английский мегагрант. Между прочим, весьма успешный: на настоящий момент 29 сотрудников этого проекта получили Нобелевские премии (включая нашего Капицу).

Резерфорд стал докторантом у самого Джи-Джи (Дж. Дж. Томсона), первооткрывателя электрона (Томсон - лауреат «физического нобеля» 1906 г., не за электрон, а за исследования прохождения токов в газах). И 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 Джи-Джи он изучал ионизацию газов рентгеновским излучением. В 1898 г. он показал, что радиоактивное излучение - сложная штука, и выделил из него «альфа-лучи» и «бета-лучи». Сейчас мы знаем, что это - ядра гелия и электроны. Кстати, химической природе альфа-лучей посвящена Нобелевская лекция Резерфорда.

Схема опыта по обнаружению сложного состава радиоактивного излучения. 1 - радиоактивный препарат, 2 - свинцовый цилиндр, 3 - фотопластинка

В 1901 - 1903 гг. вместе с будущим нобелиатом по химии 1921 г., Фредериком Содди открыл естественные превращения элементов при радиоактивном распаде (за это Резерфорд и получил «нобеля»). При этом была открыта «эманация тория» - газообразный радон-220 и сформулирован закон радиоактивного распада.

Но самый известный свой эксперимент он (а точнее, его ученики Гейгер и Мардсен) провели в 1909 г. Исследование прохождения альфа-частиц сквозь золотую фольгу показало, что некоторые ядра гелия отбрасываются отбратно. «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. Что потом сделал с ней Бор, мы расскажем в статье про Нильса Бора (ведь нобелиатом был и сын Бора Оге), а сейчас продолжим.

Во время Первой мировой войны Резерфорд работает над детектированием вражеских подлодок (Резерфорд - «офицер связи»), и одновременно, в 1917 г. 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 г. предсказал существование нейтрона (его потом открыл ученик Резерфорда Чедвик).

Герб Резерфорда

Во время войны Резерфорд становится и дворянином. Несмотря на то, что удар мечом Резерфорд получил от короля в 1914 г., бароном Резерфордом Нельсоном он официально стал в 1931 г. с утверждением соответствующего герба. На гербе - две птицы киви, символы 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».

Но самое важное наследие сэра Эрнеста, это, конечно, его школа. 12 учеников его стали нобелевскими лауреатами - об одном из них мы уже писали в . Капица был действительно любимым и лучшим учеником Резерфорда в послевоенный период. Как мы уже говорили, именно он дал прозвище «Крокодил» шефу. Как пояснял сам Капица, это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать Резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперед, а в России на крокодила смотрят со смесью ужаса и восхищения. Говорят, именно уход Капицы (а точнее, невозможность вернуться в Кембридж) разрушительно подействовали на Резерфорда и лабораторию.

Крокодил скончался в 1937 г. совсем молодым по нашим меркам - всего в 66 лет, и памятное слово над ним произнес старенький его научрук - Джи-Джи. Последняя книга, которую он выпустил, была научно-популярной. «Современная алхимия» - понятно о чем.

Если писать о памяти и чествовании нашего героя, то один список будет длиннее нашей статьи. Могила в Вестминстерском аббатстве - рядом с Ньютоном, астероид Резерфордия… Почетное членство и множество наград. Странно только, что у него лишь одна Нобелевская премия, остальные достались его ученикам.

Отдельная и почти детективная история связана с увековечиванием имени Крокодила в таблице Менделеева. Какое-то время резерфордием был 106 элемент (ныне - сиборгий), какое-то время - 103-й (лоуренсий), но после долгих споров американцев и россиян о названиях и приоритетах, резерфордием стал 104 элемент таблицы Менделеева, впервые синтезированный в Дубне.

Ну а закончить мне хочется словами субдекана Вестминстерского аббатства во время службы по усопшему барону Резерфорду Нельсону, понятно к кому обращенными: «Мы благодарим Тебя за труды и дни брата нашего Эрнеста».

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.

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

  • Динамит
  • Крокодил
  • Будильник

Правильный ответ С - Крокодил

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

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