Навигация по программе Навигация по программе Навигация по программе Навигация по программе Жизненный путь Начало жизненного пути Начало жизненного пути Начало жизненного пути Начало жизненного пути Образование Образование Образование Учительская деятельность Учительская деятельность Учительская деятельность Учительская деятельность Присуждение стипендии Присуждение стипендии Присуждение стипендии Присуждение стипендии Кембридж Кембридж Кембридж В Монреаль! В Монреаль! В Монреаль! В Монреаль! Монреаль Монреаль Монреаль Свадьба и переезд Свадьба и переезд Свадьба и переезд Свадьба и переезд Работа Работа Работа Печатные работы Печатные работы Печатные работы Печатные работы Лаборатория в Монреале Лаборатория в Монреале Лаборатория в Монреале Лаборатория в Монреале Отъезд в Англию Отъезд в Англию Отъезд в Англию Отъезд в Англию В Англии В Англии В Англии В Англии Нобелевская премия Нобелевская премия Нобелевская премия Нобелевская премия Возвращение в Манчестер. Возвращение в Манчестер. Возвращение в Манчестер. Возвращение в Манчестер. Новые идеи Новые идеи Отъезд в Кавендишскую Отъезд в Кавендишскую Отъезд в Кавендишскую Отъезд в Кавендишскую лабораторию лабораторию Ученый и война Ученый и война Ученый и война Ученый и война Военные исследования Военные исследования Военные исследования Военные исследования Новая должность Новая должность Новая должность Новая должность И снова Кавендишская И снова Кавендишская И снова Кавендишская И снова Кавендишская лаборатория лаборатория Смерть ученого Смерть ученого Смерть ученого Смерть ученого
Ученая деятельность Опыт 1 Выяснение свойств электромагнитных волн. Опыт 1 Выяснение свойств электромагнитных волн. Опыт 1 Выяснение свойств электромагнитных волн. Опыт 1 Выяснение свойств электромагнитных волн. Опыт 2 Радиосвязь Опыт 2 Радиосвязь Опыт 2 Радиосвязь Опыт 2 Радиосвязь Опыт 3 Урановые лучи Опыт 3 Урановые лучи Опыт 3 Урановые лучи Опыт 3 Урановые лучи Опыт 4 Торий Опыт 4 Торий Опыт 4 Торий Опыт 4 Торий Опыт 5 Эманация тория Опыт 5 Эманация тория Опыт 5 Эманация тория Опыт 5 Эманация тория Опыт 6 Эманация радия Опыт 6 Эманация радия Опыт 6 Эманация радия Опыт 6 Эманация радия Опыт 7 Свойства эманации радия Опыт 7 Свойства эманации радия Опыт 7 Свойства эманации радия Опыт 7 Свойства эманации радия Опыт 8 Альфа-частицы Опыт 8 Альфа-частицы Опыт 8 Альфа-частицы Опыт 8 Альфа-частицы Опыт 9 Альфа-частицы-2 Опыт 9 Альфа-частицы-2 Опыт 9 Альфа-частицы-2 Опыт 9 Альфа-частицы-2 Опыт 10 Обнаружение гелия Опыт 10 Обнаружение гелия Опыт 10 Обнаружение гелия Опыт 10 Обнаружение гелия Опыт 11 Контрольный Опыт 11 Контрольный Опыт 11 Контрольный Опыт 11 Контрольный Опыт 12 Открытие ядра атома Опыт 12 Открытие ядра атома Опыт 12 Открытие ядра атома Опыт 12 Открытие ядра атома Объяснение модели атома Резерфорда Объяснение модели атома Резерфорда Объяснение модели атома Резерфорда Объяснение модели атома Резерфорда Опыт 13 Военные исследования Опыт 13 Военные исследования Опыт 13 Военные исследования Опыт 13 Военные исследования Опыт 14 Трансмутация элементов Опыт 14 Трансмутация элементов Опыт 14 Трансмутация элементов Опыт 14 Трансмутация элементов
Интересные факты Генеалогические деревья Генеалогические деревья Генеалогические деревья Генеалогические деревья Вручение Нобелевской премии Вручение Нобелевской премии Вручение Нобелевской премии Вручение Нобелевской премии Новая модель атома Новая модель атома Новая модель атома Новая модель атома Камера Вильсона Камера Вильсона Камера Вильсона Камера Вильсона Мобилизованные сотрудники лаборатории Мобилизованные сотрудники лаборатории Мобилизованные сотрудники лаборатории Мобилизованные сотрудники лаборатории Кавендишская лаборатория Кавендишская лаборатория Кавендишская лаборатория Кавендишская лаборатория Послесловие Об авторе Об авторе Об авторе Об авторе Библиография Библиография Библиография
опыты - переход к следующему слайду (жизненный путь) - переход (возврат) к следующему опыту - переход от опыта к соответствующему моменты жизни - переход к опыту, совершаемому в данное время - переход (возврат) к другой части опыта - возврат к предыдущему слайду (жизненный путь, интересные факты) - это интересно - переход к оглавлению
Начало жизненного пути Джеймс Резерфорд женился на шотландской эмигрантке Марте Томсон одной из первых учительниц на Новой Зеландии. После свадьбы молодожены своими руками построили домик бунгало среди гигантских папоротников в живописной местности Брайтуотер. Здесь 30августа 1871 года у них родился сын Эрнест Резерфорд. Эрнест был в семье четвертым ребенком, а после него у Резерфордов родилось еще восемь детей. Но лишь один из двенадцати оказался наделенным исключительными способностями. В период обучения Эрнеста в начальной школе семье приходилось несколько раз переезжать с места на место. Соответственно менялась и школа. Резерфорд окончил ее в Хейвлоке с рекордным числом баллов пятьсот восемьдесят из шестисот возможных и получил премию в пятьдесят фунтов. В то время эта была немалая сумма, позволившая Эрнесту продолжить образование.
Образование Юношу приняли в пятый класс колледжа в Нельсоне. Учителя сразу обратили внимание на его исключительные способности к математике. В школьном дневнике отмечалось: «Очень быстро соображающий и многообещающий математик, легко завоевавший первенство». Но математиком, как известно, Резерфорд не стал. Пожалуй, он проявлял склонность и к технике. По крайней мере юный Резерфорд очень интересовался устройством различных машин, механизмов, в частности часов, последние он любил разбирать, хотя обратный процесс ему не всегда удавался. Он также строил модели водяных мельниц. Это увлечение объяснялось тем, что Джеймс брал сына с собой на строительство водяных мельниц. В те годы на Новой Зеландии, где было множество водопадов, рек и озер, еще богатых рыбой, их сооружали в большом количестве.
некоторые опыты некоторые опыты По окончании Нельсоновского колледжа Резерфорд был принят в Кентерберийский университет (тоже называвшийся колледжем), незадолго до этого основанный в городе Крайстчерче. В этом высшем учебном заведении в те годы занималось всего сто пятьдесят студентов. Их обучали семь профессоров. Здесь Эрнест серьезно увлекся точными и естественными науками. Резерфорда заинтересовало открытие электромагнитных волн немецким физиком Генрихом Герцем, экспериментально подтвердившим правильность теории Максвелла. И он решил провести некоторые опыты для выяснения свойств электромагнитных волн, которые тогда называли волнами Герца. Молодой человек с отличием окончил Кентерберийский колледж, и впервые перед ним возникла серьезная жизненная проблема: что делать дальше? некоторые опыты Ему представилась возможность поступить преподавателем физики в хайскул (среднюю школу) в Крайстчерче, и Резерфорд, хотя не испытывал влечения к педагогической работе, стал учителем.
Опыт 1 Выяснение свойств электромагнитных волн. Будущий ученый в серии опытов прежде всего показал, что электромагнитные волны при возбуждении их переменным током высокой частоты вызывают быстрое размагничивание стальной проволоки. Затем он начал разрабатывать методы обнаружения электромагнитных волн с помощью пучка намагниченных до насыщения иголочек. При возбуждении электромагнитными волнами токов высокой частоты иголки размагничивались. Все приборы, с помощью которых Резерфорду удалось измерить явления размагничивания, были изготовлены им собственноручно. Первая экспериментальная работа Резерфорда по электромагнитным волнам была опубликована в студенческом журнале и произвела большое впечатление на преподавателей и студентов колледжа. Студент стал «знаменитостью» среди жителей города.
Учительская деятельность Резерфорд, создавший впоследствии одну из крупнейших в мире научных школ, воспитатель обширной плеяды физиков, не мог справиться с мальчиками и девочками, сидевшими за партам в крайстчерческой школе. Будущий ученый проучительствовал недолго, но даже неудачная деятельность на этом неблагодарном поприще оставила у него на всю жизнь интерес к средней школе и ее питомцам.
Присуждение стипендии Спустя несколько месяцев после того, как Резерфорд стал школьным учителем, он узнал о присуждении ему «Стипендии 1851 года». Эта стипендия была создана из части доходов Всемирной выставки в Лондоне, состоявшейся в 1851 году. Выставка размещалась в уникальном сооружении того времени Хрустальном дворце, специально построенном для нее. (Впоследствии Хрустальный дворец был уничтожен пожаром.) «Стипендия 1851 года» присуждалась наиболее талантливым выпускникам провинциальных университетов. Она составляла значительную сумму, позволяющую им в течении 2-3 лет проходить стажировку в одном или нескольких университетов Англии. И Резерфорд решает отправиться в Кембридж. В первый раз он покидает остров своего детства и юности, дорогую сердцу Новую Зеландию. Он оставляет здесь родителей и невесту – студентку Кентерберийского университета Мери Ньютон. Ей будет суждено стать его женой.
Кембридж Приехав поездом из Лондона в Кембридж, Резерфорд легко нашел в переулке Фри скул лейн известную любому местному жителю Кавендишскую лабораторию. В ответ на вопрос Томаса, не занимался ли уже Резерфорд какой-нибудь исследовательской работой, новичок подробно рассказал о проведенных им в Кентерберийском колледже опытов с электромагнитными волнами. Он показал профессору приемник радиоволн. Это произвело впечатление. к опытам к опытам Резерфорд сразу приступил к опытам.к опытам вызывает интерес вызывает интерес В то время вокруг него одно за другим совершались удивительные открытия. Первым, как уже упоминалось, были рентгеновские лучи. Это открытие произвело громадное впечатление на всех физиков. В 1896 года 1 марта Беккерель наблюдает радиоактивное излучение урана. Открытие Беккереля вызывает интерес и у Резерфорда.вызывает интерес
Опыт 2. Радиосвязь Он использовал свой приемник и другие приборы, изготовленные им уже здесь, в Кавендише. Прошло около года упорной работы, и стажер получил хорошие результаты. Он установил радиосвязь между астрономической лабораторией Кембриджского университета и Кавендишской лабораторией на «громадном» по тем временам расстоянии в три километра. Это было в 1896 году. До автоматических космических аппаратов, с которыми в наши дни поддерживается радиосвязь на расстоянии в десятки миллионов километров, было три четверти века. Отметим, справедливости ради, что в основе их работы лежит принцип, найденный Резерфордом.
Опыт 3. Урановые лучи В первый период изучения загадочных урановых лучей Резерфорду казалось, что существует какая-то связь между излучением урана и рентгеновскими лучами. Поэтому сначала он считал свои опыты по радиоактивности естественным продолжением исследований ионизующего действия рентгеновских лучей, проводившихся им совместно с Томсоном. Излучение урановых препаратов, как и рентгеновские лучи, ионизировало воздух. Такое сходство в воздействии обоих излучений на окружающую среду привело Резерфорда к мысли о необходимости опытов для сравнения рентгеновских и беккерелевых лучей. Опыты эти, по его мнению, могли дать наиболее достоверные и точные сведения о физических свойствах лучей. Исследования продолжались почти год. Они показали, что связи между двумя излучениями, несмотря на их одинаковое ионизующее действие, нет. Резерфорд смог убедиться также в том, что предположение Беккереля о сходстве излучения урана со световыми лучами ошибочно. Излучение урана не подчинялось законам световой оптики: не отражалось, не преломлялось и не поляризовалось.
В Монреаль! Вскоре Резерфорд получил приглашение занять должность профессора физики в МакГиллском университете в Монреале. В жизни Резерфорда начинается новый период, который историки классифицируют как монреальский. Этот период отмечен работами в новой области физики. Прежде всего сюда относится создание совместно с английским химиком Фредериком Содди теории радиоактивного распада.
Монреаль продолжить свои исследования продолжить свои исследования Резерфорд проработал в Монреале с 1898 по 1907 год. Этот восьмилетний период ученик Резерфорда, физик Патрик Блэкетт называет первым взлетом научной деятельности Резерфорда, продолжавшейся в общей сложности 42 года и протекавшей главным образом в Англии. Но вернемся к тому времени, когда Резерфорд вступил в стены Монреальского университета. Прежде всего он решил продолжить свои исследования излучения урана, начатые в Кавендишской лаборатории.продолжить свои исследования
Опыт 4. Торий Опыты с ураном производились в Мак-Гиллском университете впервые. Они заинтересовали молодого преподавателя электротехники профессора Б. Р. Оуэне. Намереваясь заняться изучением радиоактивности, он обратился к Резерфорду с вопросом: с чего начать? Резерфорд посоветовал начать с тория. Это был в высшей степени ценный совет: работы с торием оказались очень важны при разработке теории радиоактивного распада. Приступив к изучению природных ториевых излучателей, Оуэне заметил необычное явление. По его словам, «обнаружилось нечто, что не было ни торием, ни альфа-, ни бета-частицами, и что улетало, если на него подуть».
Опыт 4. Торий Оуэне пытался объяснить странное поведение тория тем, что на его радиоактивный распад влияют «токи воздуха». Такое толкование было явно неудовлетворительным и опровергалось опытами. После отъезда Оуэнса в Кембридж к Томсону Резерфорд продолжал исследования тория. Через несколько месяцев Резерфорд определил, что из тория выделяется газ, который он назвал эманацией тория. Резерфорд медленно пропускал эманацию тория по трубке и нашел, что после прохождения по трубке длиной в несколько сантиметров радиоактивность газа уменьшается наполовину. Так был открыт закон экспоненциального распада эманации тория. Однако нужно было быть Резерфордом, чтобы увидеть такое «простое» решение задачи, вначале казавшейся весьма загадочной и неразрешимой.
Опыт 4 Торий Эманация тория и позже открытая Резерфордом нация радия послужили важным подтверждением гипотезы о том, что в результате альфа-распада происходит превращение одного элемента в другой. Этому процессу присущи определенные законы, но ход его самопроизволен и не связан с каким-либо внешним вмешательством. Резерфорд написал статью, содержащую доказательства того, что эманация тория это новое радиоактивное вещество, образующееся при распаде тория. Об этом он сообщал своей невесте Мери Ньютон в Новую Зеландию: «... в прошлый четверг я послал еще одну большую И статью в журнал, очень хорошую статью, хотя это только мое мнение. В ней тысяча новых фактов, о которых никто даже не подозревает. И этого достаточно, чтобы сказать, что дело идет об очень значительном открытии».
Свадьба и переезд В 1900 году Резерфорд прерывает свои исследования и, воспользовавшись первым летним отпуском, уезжает в Новую Зеландию, чтобы жениться на Мери Ньютон, которая ждет своего жениха пять лет. Ему не терпится повидаться с постаревшими родителями, ведущими, судя по письмам, по-прежнему спокойную сельскую жизнь Осенью Резерфорд возвращается в Монреаль, но уж« вместе с женой Мери. Они поселяются недалеко от МакГиллского университета в арендованном домике. В лаборатории Резерфорд знакомится с совсем молодым профессором химии Фредериком Содди, только что приехавшим из Оксфорда. на изучении тория на изучении тория Оба молодых ученых, не теряя времени, приступали к работе, сосредоточив свое внимание на изучении тория и урана, присланных из Кавендишской лаборатории. Талант Содди раскрылся именно в этой совместной работе над проблемами радиоактивного распада. на изучении тория
Опыт 5 Эманация тория Резерфорд и Содди, изучая эманацию тория, выявили, что она получается не непосредственно из тория, а из промежуточного вещества (с периодом полураспада четыре дня), названного авторами торием х. Потеря активности тория х совпадала с восстановлением активности тория, а это, по мнению исследователей, объяснялось тем, что при распаде тория происходило образование тория х (так до открытия изотопии называли радиоактивный изотоп радия Ra-226); радиоактивность же его ослабевала во времени в геометрической прогрессии, уменьшаясь наполовину за каждые четыре дня. Резерфорд и Содди показали, что этому правилу подчиняются все последовательно возникающие радиоактивные вещества.
Опыт 6 Эманация радия Дальнейшим шагом после работ с торием было открытие Резерфордом эманации радия. Исследование нового радиоактивного газа подтверждало важные результаты, полученные при изучении тория. Как и соединения тория, бромистый радий при растворении проявлял свойства, которые не могли не привлечь внимание опытного исследователя. Находящийся в растворе радий терял большую часть активности; она восстановилась в течение месяца. Это навело Резерфорда на мысль, что при растворении солей радия из него в воздух уходит газообразное, сильно радиоактивное вещество, сходное с эманацией тория. Резерфорд собрал активный газ, выделяющийся из радия, использовав для растворения соли радия герметический сосуд. Этот газ исследователь, естественно, назвал эманацией радия. Теперь было уже совершенно У ясно, что радий, испуская альфа-частицы, превращается в новое активное вещество, подобно тому, как торий х, образуемый при распаде тория, переходит в активный газ и эманацию тория (Rn-222). Сейчас эту ядерную реакции записывают так: Ra->Rn + He.
Опыт7 Свойства эманации радия Возникла мысль показать, что эманация радия радон, как всякий газ, при низких температурах может превращаться в жидкое и даже твердое вещество. Резерфорд пытался с помощью имевшейся у него старой машины Линде ожижить радон при температуре 100°, но успеха не достиг. Видимо, нужна была более низкая температура. Он попросил Макдональда приобрести для лаборатории более усовершенствованную машину. Это было сделано, и исследователи смогли в жидком азоте при 200° произвести конденсацию радона. Таким образом, удалось наглядно подтвердить, что радон газ, и не только убедить неверующих в правильности предыдущих наблюдений, но и подкрепить теорию радиоактивности распада. Впоследствии Содди писал: «Открытие того, что эманация представляет собой газ типа аргона, и последовавшее за этим открытие тория как промежуточного вещества между торием и эманацией тория привело к полному объяснению того, что радиоактивность это процесс самопроизвольного распада атомов, в результате которого одно вещество переходит в другое».
Генеалогические деревья В 1903 году Резерфорд и Содди В опубликовали первые «генеалогические деревья» радиоактивных веществ. Во главе трех генеалогических деревьев стоят три радиоактивных элемента: уран, торий и радий. Вот как просто они выглядели: Уран Уран ? Торий Торий х Эманация тория Торий I Торий II ? назад Радий Эманация радия Радий I Радий II Радий III ?
Эта таблица была составлена до открытия изотопии, и поэтому в ней разновидности элементов (сегодня мы знаем, что это изотопы) обозначены по-старому. Эти первые в истории физики «генеалогические деревья», конечно, постепенно сильно разрослись. И понятно. почему. Вслед за Резерфордом многие физики в различных в странах занялись исследованиями в этой области. Были открыты недостающие звенья, и многие вещества заняли свои места в семьях природных радиоактивных элементов. Но таких семейств оказалось всего три. Из них два имеют родоначальником уран, а третье торий. Первое семейство насчитывает 14 потомков, т. е. 14 элементов, получающихся один из другого в результате спонтанного радиоактивного распада; второе10; третье11 До Резерфорда во всех энциклопедиях можно было про честь, что элемент простейшее стабильное вещество, которое нельзя разложить химическими методами. Это действительно так, если говорить о химических методах.
В 1903 году, после того как Резерфордом и Содди уже были составлены первые генеалогические деревья, произошло дальнейшее существенное продвижение науки вперед. Резерфорд высказал предположение, что радий есть продукт распада какого-то другого радиоактивного элемента, вероятнее всего, урана. Вскоре он уже уверенно утверждал, что радий образуется при распаде урана. Резерфорд обосновал свое предположение об образовании радия из урана тем фактом, что в минералах, содержащих уран, всегда присутствует радий. Он и был открыт супругами Кюри в урановой
Опыт 8 Альфа-частицы Наряду с разработкой теории радиоактивного распада Резерфорд занимался изучением природы альфа- частиц. Он пытался экспериментально получить ответ на интересовавший его вопрос: из чего состоят альфа- частицы и каковы их физические характеристики. В начале 1903 года Резерфорд, повторяя опыты по отклонению альфа-частиц в сильном магнитном поле, установил, что они несут положительный заряд и движутся со скоростью сантиметров в секунду (примерно 1/10 скорости света). На основании этих данных он предположил, что альфа-частицы могут быть либо водородом, либо, гелием. Следовательно, в процессе распада радиоактивных элементов образуется также один из этих элементов. Так родилась идея опыта, осуществленного позже уже снова в Англии, с помощью которого Резерфорд смог установить, что альфа-частицы ионизованные ядра гелия. Этот опыт, сыгравший столь важную роль в развитии атомной физики, кроме всего, свидетельствует о необыкновенном экспериментальном искусстве и изобретательности в придумывании опытов, свойственных Резерфорду. Опыт был прост и прямо вел к цели, поставленной исследователем.
Опыт 8 Альфа-частицы Заключался он в следующем. Прибор, построенный Резерфордом состоял из электроскопа 1, сделанного из полоски золотой фольги и помещенного над двадцатью металлическими пластинками 3 вертикально установленными в эбонитовом ящике. Щели между пластинками составляют всего 1 миллиметр; благодаря таким узким щелям а-частицы, испускаемые радиоактивным излучателем (радиевой солью) 4, расположенным под пластинками на дне ящика, проходят в камеру электроскопа параллельным пучком. Через прибор пропускается водород (по входной трубке 2), который увлекает с собой накапливающийся в приборе радон (водород вместе с радоном удаляется через выходную трубку 5). Схема прибора Резерфорда
Прибор Резерфорда 1 – электроскоп 2 – входная трубка 3 – металлические пластинки 4 - радиоактивный излучатель 5 – выходная трубка
Опыт 8 Альфа-частицы Благодаря непрерывному удалению радона увеличивается пробег альфа-частиц. Прикладывая сильное магнитное поле, направленное параллельно плоскостям пластинок 3, можно было почти полностью прекратить ионизацию в камере электроскопа (вызываемую электрическим зарядом альфа-частиц), т. е. листочки электроскопа опадали. Именно так Резерфорд показал, что альфа-частицы это быстродвижущиеся электрически заряженные частицы с большой энергией. Если бы они двигались медленно, т. е. обладали небольшой энергией, то для прекращения ионизации не требовалось бы сильное магнитное поле. Прикрывая половину щелей между пластинками, можно было показать, что при одном направлении магнитного поля для прекращения ионизации требуется меньшая сила поля, чем при другом направлении. Так, меняя направление магнитного поля, приложенного к пластинкам, можно установить, в каком направлении отклоняются альфа-частицы, и отсюда вывести, что знак заряда альфа-частиц положителен.
Опыт 8 Альфа-частицы Кроме того, он показал, что альфа-частицы представляют собой поток положительно заряженных атомов с большей массой, чем атомы водорода, Затем с точностью до 10% Резерфорд определил отношение заряда альфа-частиц к их массе; это указывало на то, что альфа-частицы, по-видимому представляют собой дважды ионизованные атомы гелия, т. с. атомы, потерявшие по два электрона. Описанный эксперимент, основанный па свойстве магнитных и электрических полей отклонять альфа-частицы, позволил идентифицировать их с атомами гелия. Однако, для доказательства этого полученные данные пришлось дополнить некоторыми расчетами.
Работа Поглощенный бесчисленными опытами, Резерфорд меньше всего думал о своем престиже. По мере знакомства ученых разных стран с его работами популярность его росла. Молодого физика избрали членом канадского Королевского общества, Американского физического общества и Британской ассоциации содействии прогрессу науки. Главным, ни на минуту не ослабевающим интересе Резерфорда была работа, интенсивная и упорная, оставлявшая часто лишь несколько коротких часов для отдыха и сна, благо природа одарила его на редкость крепким здоровьем. Нечастые поездки в Европу и США (на сессии Американского физического общества, проводившиеся в Колумбийском университете в Нью- Йорке) были кратковременными и всегда использовались Резерфордом в интересах дела.
Печатные работы За 8 лет, проведенных в Канаде, Резерфорд опубликовал 50 научных статей (многие были написаны совместно с Содди). Каждая представляла большую ценность для новой, созданной Резерфордом области науки теории радиоактивности распада. Он также подготовил труд «Радиоактивные вещества и их излучения», выпущенный издательством Кембриджского университета в 1904 году.
Лаборатория в Монреале Резерфорд за несколько лет создал в Монреальском университете прекрасные условия для исследований в области радиоактивности. Теперь он и его сотрудники могли вести их в достаточно хорошо оборудованных лабораториях физической и химической. Благодаря Резерфорду скромная кафедра физики провинциального МакГиллского университета превратилась в знаменитый в то время центр исследований в области радиоактивности. Несмотря на это, ученого не покидала мысль в конце концов вернуться в Англию. Еще в 1901 году Резерфорд писал Томсону из Канады: «После лет, проведенных в Кавендишской лаборатории, я чувствую себя несколько в стороне от науки; мне очень не хватает общения с людьми, интересующимися физикой».
Отъезд в Англию Резерфорд в годы, проведенные в Канаде, был постоянно и тесно связан с Кембриджем и вообще с научной жизнью Англии. Эта связь особенно укрепилась после 1905 года после избрания его в возрасте 32 лет членом Лондонского Королевского общества и присуждения ему за исключительные научные заслуги медали Румфорда. Намерение Резерфорда вернуться в Англию осуществилось в мае 1907 года. Он навсегда покинул Монреаль, оставив здесь своих учеников, которые могли продолжать исследования радиоактивности. Итак, попрощавшись с сотрудниками и коллегами, Резерфорд вместе с женой и шестилетней дочерью Эйлин-Мери выехал из Монреаля в порт Квебек. История сохранила название парохода «Императрица Ирландии», на котором Резерфорд отплыл из Канады в Англию.
В Англии исследований альфа-частиц исследований альфа-частиц По прибытию в Англию Резерфорд начал с подготовки аппаратуры для намеренных исследований альфа-частиц. О темпе этих подготовительных работ ученик Резерфорда Робинсон говорил: «Хотя Резерфорд и не гнался за роскошным оборудованием, он был очень требователен к аппаратуре; и тем не менее он оборудовал установку для изучения эманации менее чем за три недели после того, как покинул Монреаль».исследований альфа-частиц Эрнест Марсден, окончивший Манчестерский университет и ставший сотрудником Резерфорда, однажды сказал: «Сколько в нем было энергии и энтузиазма... Резерфорд был тигром в работе». В манчестерской лаборатории Резерфорд познакомился с молодым научным сотрудником Гансом Гейгером, недавно приехавшим из Германии, а также с новозеландским исследователем Гарольдом Робинсоном и англичанином студентом-физиком Томасом Ройдсом.
Опыт9 Альфа частицы - 2 Эти опыты были начаты в Манчестере в 1908 году сразу после того, как Венская академия наук прислала 400 миллиграммов радия (через 20 лет за них было уплачено 3000 фунтов). Не так просто было хранить и подготовить к опытам этот драгоценный запас, и поэтому Резерфорд убедил своего друга профессора Бертрана Болтвуда приехать на время из Монреаля в Манчестер и помочь ему. Вдвоем они создали аппаратуру для обезвоживания радиоактивных солей и очистки радона от примесей. Были также разработаны способы хранения радия в течение длительного срока с достаточной безопасностью для персонала лаборатории. Резерфорд и Гейгер приступили к счету сцинтилляций. Резерфорд еще в первом издании своей книги «Радиоактивные вещества и их излучения», заключавшей итоги его работы в Монреале, писал, что наблюдение сцинтилляций на экране из сернистого цинка очень удобный способ счета альфа-частиц, если принять, что каждая альфа-частица, ударяясь об экран, вызывает вспышку.
Опыт 9 Альфа-частицы - 2 Опыты в манчестерской лаборатории привели Резерфорда к твердому убеждению, что каждая сцинтилляция соответствует одной альфа-частице. Это вызвало сенсацию среди физиков. Ведь впервые перед ними открылась возможность как бы наблюдать визуально за поведением отдельных атомов. Считали сцинтилляции в затемненной лаборатории, это было очень утомительным делом. Резерфорд, Гейгер, а затем и Марсден проводили по нескольку часов, неотрывно наблюдая за экраном, на котором происходили ( десятки и сотни тысяч вспышек). Резерфорд и Гейгер определили, что в одну секунду из одной тысячной грамма радия излучается 130 тысяч альфа- частиц. Точность этой цифры не могла подвергнуться сомнению, хотя в ее установлении использовался человеческий глаз. Очень важным в этих опытах было то, что мощность потока альфа-частиц окончательно убеждала Резерфорда в правильности возникшей у него ранее мысли использовать альфа-частицы для проникновения в атом. И он был прав: дальнейшие опыты с альфа-частицами привели его к сенсационным открытиям.
Нобелевская премия В 1908 году Резерфорду за выдающиеся работы монреальского периода была присуждена Нобелевская премия по химию (Заметим, что впоследствии Нобелевская премия присуждалась многим ученикам Резерфорда.) Осенью Резерфорд с женой выехали в Стокгольм для получения Нобелевской премии. В августе, за несколько месяцев до отъезда, ученому исполнилось 37 лет. Он был одним из самых молодых нобелевских лауреатов. По свидетельству современников, Резерфорд в те годы внешне был похож на спортсмена или агронома, проводящего много времени на свежем воздухе. Щеки его покрывал завидный румянец. На лице не было ни одной морщинки. Он всегда был весел, громко смеялся, живо реагируя на остроты. Непосвященным трудно было бы представить себе, что перед ними один из самых выдающихся физиков мира.
Вручение Нобелевской премии Утром 10 декабря 1908 года Резерфорд, одетый во фрак, вместе с женой пешком отправился из гостиницы в Концерт-хауз, где происходит вручение премий. По традиции в этот день Концерт-хауз был украшен желтыми хризантемами, лавровыми венками, флагами разных стран. Пока заполнялся зал, Резерфорд вместе с другими лауреатами стоял за кулисами. В зал вошло королевское семейство. Все присутствующие встали. Оркестр исполнил «песню короля». Трубачи подняли свои инструменты отблески от начищенной меди пробежали через весь зал В этот момент появилась процессия лауреатов главных действующих лиц этого торжественного церемониала. Их сопровождали шведские академики. Лауреаты поклонились в сторону королевской семьи и сели в массивные кресла с высокими спинками. Все участники церемониала, не исключая и королевской семьи, стояли ' Государственный маршал Швеции произнес короткая речь об основателе премии Альфреде Нобеле. Он заметил что, несмотря на свои огромные богатства, Нобель был беспредельно одиноким человеком, говорившим на многих 'языках, ни один из которых не являлся для него родным. Затем представитель Национальной академии Швеции рассказал присутствующим о нобелевских лауреатах, о важности и достоинствах выполненных ими работ.
После этого лауреаты один за другим спускались по ступенькам с эстрады, и король вручал каждому диплом и золотую медаль. После каждого вручения оркестр с играл какое-нибудь известное классическое произведение. В заключение церемониала был исполнен шведский национальный гимн. Королевские особы вышли из зала За ними последовали лауреаты. Резерфорд с женой оказались на пронизанной туманом площади Хеторг, забитой каретами. Их окружала нарядная толпа женщин в вечерних туалетах, важных господ во фраках, увешанных орденами. Вечером в королевском дворце Резерфорды в числе 800 гостей принимали участие в банкете. В своем тосте Резерфорд шутливо заметил: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями, которые я изучал в разные годы, но самым замечательным превращение было то, что я в один миг из физика превратился в химика».
Возвращение в Манчестер Новые идеи Итак, краткая поездка в Швецию закончилась, и Резерфорд вернулся в Манчестер к своим прерванным работам. осуществить идею удивительного по своей наглядности опытаосуществить идею удивительного по своей наглядности опыта, создать новую модель атома. Напомним, что еще в Монреале Резерфорд поставил опыт, целью которого было доказать идентификацию альфа-частиц с атомами гелия. Резерфорд тогда предположил, что каждая альфа- частица является дважды ионизованными (т. е. потерявшими по два электрона) атомами гелия. Поставленный им опыт подтверждал его догадку, но был не вполне нагляден и оставлял возможность для критики. Резерфорд размышлял о том, как наглядно и неопровержимо показать, что альфа- частицы это гелий. Понадобилось несколько лет, чтобы Резерфорд уже в Манчестере смог осуществить идею удивительного по своей наглядности опыта, а затем и неожиданно для себя создать новую модель атома. создать новую модель атома осуществить идею удивительного по своей наглядности опыта создать новую модель атома
Опыт10 Обнаружение гелия Этот исторический опыт по идентификации альфа-частиц. и атомов гелия, выполненный Резерфордом в Манчестерской лаборатории в начале 1909 года при участии Гейгера и Ройдса, имел огромное значение в физике. Он не оставил и тени сомнения в правильности теории радиоактивного распада, разработанной Резерфордом и Содди в МакГиллском университете. Теперь уже всем стало ясно, что в природе существует поразительное явление. Атомы химических элементов, расположенных в самом конце периодической таблицы Менделеева, способны самопроизвольно распадаться, и в этом процессе происходит превращение одних элементов в другие.
Опыт 10 Обнаружение гелия Прибор для опыта Резерфорда и Ройдса был изготовлен высококвалифицированным стеклодувом. Запаянная стеклянная трубка 2 наполнена газом радоном. Толщина стенок этой трубки всего 0,01 миллиметра. Они достаточно тонки, чтобы альфа-частицы, испускаемые радоном, могли проходить через них в трубку 3. Перед опытом из трубки 3 тщательно откачивался воздух. Однако через несколько дней после начала опыта, т. е. наполнения трубки 2 радоном, исследователи обнаруживали в трубке 3 накопление какого-то газа. С помощью поднятия, ртутного столбика газ сжимался в отростке 1, через который пропускался электрический ток. При этом исследователи наблюдали характерные желтые линии спектра гелия. В разрядной трубке (отросток 1) действительно был гелий. Схема прибора Резерфорда
Прибор Резерфорда 1 – отросток 2 – запаянная стеклянная трубка 3 – трубка без воздуха
Опыт11 Контрольный Но результаты предыдущего опыта могли быть неверными. Возможно гелий попал в трубку 2 по недосмотру вместе с радоном, а оттуда в трубку 3 и, наконец, в отросток 1. Контрольный опыт дал отрицательный ответ на этот вопрос. Для опыта исследователи использовали точно такой же прибор, но наполняли трубку 2 не радоном, а чистым гелием. Через несколько дней в разрядной трубке спектральных линий гелия не обнаруживалось. В контрольном опыте гелий не мог пройти через стенки трубки 2 (хотя толщина их была всего 0,01 миллиметра) в трубку 3 альфа-частицы же легко проходили через тонкое стекло и накапливались в трубке 3, откуда переходили в отросток 1.
Опыт12 Открытие ядра атома Однажды Резерфорд попросил Марсдена считать альфа-частицы не просто устремляющиеся от излучателя частиц к экрану, а проходящие через различные пластинки, установленные на их пути. Пластинки помещались в несложный прибор для счета альфа-частиц спинтарископ между излучателем и экраном. Резерфорд заметил при этом, что Марсден вряд ли обнаружит что-либо любопытное. Скорее всего альфа-частицы будут легко проходить через пластинки, если, конечно, правильна модель атома Томсона. В то время не было оснований сомневаться в ее незыблемости. Можно лишь гадать, почему, несмотря на это, Резерфорд решил все-таки поставить такой опыт.
Опыт12 Открытие ядра атома Схема экспериментальной установки Марсден приступил к работе. Экспериментальная установка была несложной. Коническая трубка, наполненная радоном (излучатель альфа-частиц), установлена под углом к тонкой металлической пластинке 2. Свинцовый блок 3 преграждает путь альфа- частицам, испускаемым радоновым источником к сцинтилляционному экрану 4. Микроскоп 5 служит для наблюдения на экране возможных сцинтилляций; они могли бы происходить в случае отклонения альфа-частиц от металлической пластинки. Марсдена поразило в этих простых опытах то, что альфа-частицы ведут себя совсем не так, как должны были 6ы вести, если принять справедливой модель атома Томсона. Но Марсден не мог высказать каких-либо определенных соображений о причинах странного поведения альфа-частиц. Он как дотошный исследователь неоднократно повторял наблюдения, чтобы убедиться в отсутствии какой-нибудь ошибки.
Экспериментальная установка 1 – коническая трубка, наполненная радоном 2 – тонкая металлическая пластинка 3 – свинцовый блок 4 – сцинтилляционный экран
Опыт 12 Открытия ядра атома Увиденное в первом опыте подтвердилось при его повторениях: некоторые альфа- частицы (правда, их было значительное количество) вели себя необычно они отскакивали от пластинки назад в направлении излучателя. Такое явление крайне удивило Марсдена. Он продолжал опыты, чтобы убедиться в том, что диффузное paсеяние не представляло собой поверхностного эффекта, что альфа-частицы проникли внутрь металла пластинки, и лишь затем немногие из них отклонялись на угол, больший 90°, т. е. возвращались к излучателю. Это подтверждалось тем, что количество отклонявшихся на большие углы частиц увеличивалось, когда Марсден увеличивал толщину пластинки.
Опыт 12 Открытие ядра атома Марсден сообщил Резерфорду об этих результатах, заметив, что они не согласуются с обычными представлениями о структуре атома, предложенными Дж. Томсоном. Впоследствии Резерфорд вспоминал, что информация Марсдена произвела на него потрясающее впечатление. «Это было почти неправдоподобно, говорил Резерфорд, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в кусок папиросной бумаги и снаряд отскочил бы обратно и поразил вас». Таким образом ставилась под сомнение модель атома Томсона.
Новая модель атома В предложенной Резерфордом модели атома ядро представляет собой маленькую массивную часть и расположено в центре системы. Вокруг ядра на большом отдалении от него по орбитам вращаются легкие электроны. Атом подобен Солнечной системе в миниатюре. Положительно заряженное ядро играет роль Солнца, а электроны, несущие отрицательный заряд, представляют собой миниатюрные планеты, которые вращаются вокруг ядра Солнца под действием электрических сил кулоновского притяжения. Поэтому вначале Резерфорд назвал свою модель планетарной. Ее также называли нуклеарной, т. е. ядерной моделью. Так было сделано величайшее открытие в физике XХ века. Открытие Резерфорда было высоко оценено большинством ученых мира. В нем увидели широкие возможности, перспективы для научного познания строения веществ.
Блестящее описание атома, имеющего протонноэлектронную структуру, сделано было позднее Фредериком Жолио-Кюри: «Если для наглядности увеличить размеры атома чтобы представить себе соотношение между размером ядра и радиусами орбит электронов, то можно нарисовать следующую картину: все пространство, занимаемо атомом, равно кругу размером в площадь Согласия в Париже, а ядро соответствует зернышку апельсина, помещенному в центре площади. Следовательно, вещество в основном состоит из пустоты, где ядро и электроны занимают очень мало места. Если собрать все ядра и электроны, из которых состоит организм взрослого человека, то получится шарик, едва заметный под микроскопом, весящий 60 килограммов. Следовательно, ядерное вещество обладает гигантской плотностью. Все человечество вместе взятое весит меньше, чем один кубический сантиметр ядерного вещества». Эти строки Жолио-Кюри написал уже тогда, когда заботы об обосновании модели атома Резерфорда был; давно позади.
Объяснение модели атома Резерфорда Только после создания новой, квантовой теории модель атома Резерфорда получила безукоризненное объяснение. Это произошло позднее. Что стало известно об атоме в ближайшие несколько лет после открытия Резерфордом ядра? В нормальном, т. е. неионизованном состоянии, атом электрически нейтрален. Он содержит столько же положительного электричества в ядре, сколько и отрицательного в электронах. Итак, если атом имеет Z электронов, каждый с зарядом е, то ядро должно иметь положительный заряд +Ze.
Объяснение модели атома Резерфорда Атомы химических элементов отличаются друг от друга количеством электронов, или целым числом единичных зарядов ядра. Число Z характеризует химический элемент. Оно было названо атомным номером. Позднее подметили, что это число является порядковым номером элемента в таблице Периодической системы. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Это центральная область всей системы с невообразимым малым радиусом 10~1210~13 сантиметра. Электроны же очень легкие частицы. Их массы в 1836 раз меньше массы ядра водорода протона, имеющего наименьший атомный номер Z. Электрический заряд протона равен заряду электрона, но противоположен по знаку (протон положительный электрон). (Замечу в скобках, что несколько лет назад сообщалось об открытии ядра протона. Таким образом, можно строить предположение о распространении в природе систем, подобных впервые обнаруженным Резерфордом в атоме.)
Отъезд в Кавендишскую лабораторию В 1911 году старый друг Резерфорда профессор физики Чарльз Вильсон сконструировал прибор, с помощью которого можно было наблюдать следы отдельных альфа-частиц, образующие цепочки треки. Вскоре после этого Резерфорд приехал из Манчестер в Кавендишскую лабораторию для участия в традиционном ежегодном обеде. Он произнес во время обеда краткую речь, проникнутую почти детской радостью по поводу того, что в камере Вильсона можно было непосредственно видеть рассеяние альфа-частиц на большие углы (благодаря которому Резерфорд открыл ядерную структуру атома), Резерфорд даже назвал камеру Вильсона «самым оригинальным и удивительным инструментом в истории науки»
Камера Вильсона Камера Вильсона позволяет видеть и фотографировать следы альфа- частицы (и других частиц). Знакомая каждому физику, она представляет собой вертикальный цилиндр, сверху закрывающийся стеклом или плексигласом Внизу находится поршень. Цилиндр заполняют насыщенным водяным паром. Движением поршня производит мгновенное расширение воздуха, воздух охлаждается, и пар становится пересыщенным. Стремясь сконденсироваться, пар еще некоторое время способен сохранить состояние пресыщения. Пролетающая через камеры альфа-частица на своем пути отрывает от атомов, входящих в моле кулы воздуха, электроны. Образующиеся ионы делаются центрами конденсации; пересыщенный водяной пар собирается на них в виде маленьких капель. Так вдоль всего пути альфа-частицы возникает тонкий след из капелек води дающий исследователю четкое изображение траектории движения частицы трека.
Камера Вильсона
Ученый и война В 1914 году, спустя 7 лет после того как Резерфорд переехал из Монреаля в Манчестер, мир был потрясен начавшейся войной. Резерфорд с женой был в те дни за пределами Англии: ученый заканчивал свой отпуск в Соединенных Штатах, где остановился по пути из Новой Зеландии в Манчестер. Манчестерская группа Резерфорда быстро распалась. Сотрудники лаборатории были мобилизованы в британскую армию.
Мобилизованные сотрудники лаборатории Марсден, человек, который первый увидел в опыте, как искривился путь летящей альфа-частицы, натолкнувшейся на ядро атома, сражался в передовых частях на залитых кровью полях Франции. Военнослужащий Чедвик, которому еще предстояло открыть нейтрон, к концу войны был захвачен кайзеровскими войсками в плен и надолго заключен в немецкий концлагерь для военнопленных. В 1917 году, незадолго до окончания войны, погиб двадцативосьмилетний Генри Мозли. Это он открыл в 1912 году, что длина волны рентгеновского излучения атома зависит от положения химического элемента в Периодической системе. Мозли был убит вдали от Англии, на полуострове Галлиполи в Турции. Резерфорд глубоко переживал эту непоправимую для него и, по его убеждению, для всей науки утрату.
Военный исследования опыты по использованию пьезоэлектрических свойств кварца опыты по использованию пьезоэлектрических свойств кварца Сам Резерфорд не подлежал по возрасту (43 года) мобилизации в действующую армию. Но по заданию военного ведомства он вынужден был заниматься исследованиями, отнимавшими много времени. Немецкие субмарины наносили большие потери флоту Англии и ее союзников. Ученый производил опыты по использованию пьезоэлектрических свойств кварца для акустической локации вражеских подводных лодок. На территории манчестерской лаборатории был оборудован особый бассейн, и к Резерфорду были прикомандированы два помощника офицеры Британских военно- морских сил. Параллельно с военными исследованиями Резерфорд продолжал собственные опыты и чтение лекций студентам.опыты по использованию пьезоэлектрических свойств кварца
Опыт13 Военные исследования Методы акустического обнаружения вражеских подводных лодок обсуждались в мае 1917 года в Париже во Французском адмиралтействе. В совещании участвовал Резерфорд. Он с удовольствием согласился на командировку в Париж, где его старый друг по Кавендишу Поль Ланжевен разрабатывал новые способы акустической локации. Резерфорд посетил лабораторию профессора Ланжевена в Коллеж де Франс, где присутствовал при проведении некоторых опытов по возбуждению ультразвуковых волн с помощью пьезокварцевых излучателей. Последние были изобретены Ланжевеном, который предложил использовать их для возбуждения коротких акустических колебаний. Ланжевен, как и Резерфорд, будучи выдающимся педагогом, щедро раздаривал научные идеи молодым физикам, вдохновлял их и всячески поддерживал.
Новая должность Война окончилась, и вокруг Резерфорда вновь собрались его ученики. В июле 1919 года из Копенгагена в Манчестер приехал Нильс Бор. Тут его ждала ошеломляющая новость: он узнал, что Резерфорду предложено вступить в новую должность профессора директора Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Принять ли предложение? Оставить ли Манчестер, где проведено 12 лет, где останутся ученики, сотрудники, друзья Гейгер, Марсден, Неттол, Чедвик, Робинсон, Андраде, Дарвин, Нильс Бор? Трудно было прийти к решению. Но тем не менее Резерфорд не мог отказаться от предложения стать руководителем Кавендишской лаборатории, куда он впервые вступил на заре своей молодости. Он не мог не занять места, как говорил Бор, в непревзойденной плеяде кавендишских профессоров.
И снова Кавендишская лаборатория Прошло почти четверть века с тех пор, как юный Резерфорд впервые переступил порог Кавендишской лаборатории и разыскал кабинет прославленного Джозефа Томсона. В 1919 году Томсону исполнилось 70 лет. Он вышел в отставку. Нет, он отнюдь не думал прекратить физические опыты и посвятить себя выращиванию цветов в своем саду. Он продолжал работать в лаборатории и учить молодых физиков. Но, трезво оценив свои силы, от высокой должности директора Кавендишской лаборатории Кембриджского университета решил отказаться. И был рад, что ее занял его достигший всемирной известности ученик. продолжает свои опыты, начавшиеся еще в Манчестере продолжает свои опыты, начавшиеся еще в Манчестере По приезду в лаборатория Резерфорд продолжает свои опыты, начавшиеся еще в Манчестере.продолжает свои опыты, начавшиеся еще в Манчестере
Кавендишская лаборатория Кавендишская лаборатория была построена в Кембридже в 1874 году на средства наследников Генри Кавендиша. Создатель электродинамики Клерк Максвелл был первым директором центра, оказавшись таким образом родо начальником «непревзойденной плеяды кавендишских профессоров». После тщательного изучения архивных и других материалов, связанных с жизнью Генри Кавендиша и его научной работой, Максвелл написал о нем статью. Кавендиша ( ) называли «Ньютоном современной химии» (он родился через 4 года после смерти Ньютона). Ему принадлежат важные исследования и открытия в области физики и химии. Например, он доказал существование водорода в воздухе. Тогда водород был малоизвестным газом (как-никак это произошло более чем за два века до рождения таких понятий, как «термоядерный синтез» и «водородная бомба»), и Кавендишу принадлежит первое научное описание его.
Список работ Кавендиша велик, но при жизни ученого мало что из них было напечатано. В 1879 году Максвелл опубликовал многие из трудов Кавендиша. Жизнь Кавендиша представлялась его современникам загадочной. Брат герцога Девонширского, он был очень богат и слыл оригиналом. Он жил исключительно замкнуто, занимаясь только наукой. Даже прислуге его дворца было запрещено попадаться ему на глаза. Ему подавали на стол, до того, как он входил в столовую... П. Л. Капица пишет о Генри Кавендише: «Вот благодаря этой оторванности от людей научные работы Кавендиша, плоды его крупнейших научных достижений, сделанных в Англии, не оказали влияния на развитие мировой науки».
Опыт 14 Трансмутация элементов Еще в Манчестере незадолго по переезда в Кембридж Резерфорд осуществил первые эксперименты по превращению ядер одного элемента в ядра другого, или, как тогда говорили, по трансмутации элементов. Это сулило нечто грандиозное. Поэтому главной заботой ученого было продолжить опыты в Кавендишской лаборатории тотчас же, как только будет налажена аппаратура. Простой прибор, построенный Резерфордом при участии Кэя, к концу манчестерского периода, в 1919 году, показал, что альфа-частицы разрушают ядро азота и при этом вылетают быстрые ядра водорода протоны. «Так родилась обширная область физики, писал Патрик Блэкетт, в которой возникли многочисленные плодотворные исследовательские проблемы для огромного числа физиков во всем мире и которая совершенно непредвиденно не дает покоя повсюду государственным деятелям». Во всяком случае сам Резерфорд не предполагал, что открытие ядерных реакций будет иметь столь грандиозные последствия.
Опыт 14 Трансмутация элементов Прибор, построенный Резерфордом и попавший в Кавендишской музей, как об этом сообщает профессор С.Дэвонс, представлял собой латунную трубу 6 длиной 30 сантиметров с двумя боковыми кранами. Труба наполнена газом, который служил мишенью для бомбардировки альфа-частицами. Излучатель альфа-частиц большой энергии помещался внутри трубки. Он представлял собой активированный диск 7, укрепленный на стойке и передвигающийся по рельсу 4. Один конец трубки закрывался матовой стеклянной пластинкой 5, а другой латунной пластинкой 2, прикрепленной воском. В латунной пластинке было маленькое прямоугольное отверстие. Оно закрывалось тонкой серебряной пластинкой 3, задерживающей альфа-частицы так же, как слой воздуха примерно в 5 сантиметров. Для наблюдения сцинтилляций применялся микроскоп 1. Схема прибора Резерфорда
Прибор Резерфорда 1 – микроскоп 2 – латунная пластинка 3 – тонкая серебряная пластинка 4 – рельс 5 – матовая стеклянная пластинка 6 – латунная труба 7 – активированный диск
Опыт 14 Трансмутация элементов Когда Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились частицы с очень длинным пробегом. Исследователь заключил, что при столкновении альфа- частиц с ядрами атомов азота некоторые ядра разрушаются, испуская при этом ядра водорода протоны, а затем образуются ядра кислорода. Приведем слова самого Резерфорда: «Проделывая этот опыт, я в 1919 году получил экспериментальные доказательства того, что небольшое число атомов азота при бомбардировке распалось, испустив быстрые протоны (водородные ядра). В свете позднейших исследований общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени альфа- частицы действительно проникают в ядро азота, образуя на одно мгновение новое ядро типа ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17.
Опыт 14 Трансмутация элементов Стадии этого процесса превращения показаны ниже в виде соотношения, напоминающего химическое уравнение. Левая часть уравнения содержит вступающие в реакцию элементы, а правая часть конечные продукты превращения. Два числа перед каждым символом обозначают массу и заряд ядра данного элемента. Как видно из уравнения, общий заряд ядер при превращении сохраняется так же, как и их масса, если только учесть эквивалентность массы и энергии. С этой целью в правую часть уравнения вводится символ Е, обозначающий массу, эквивалентную сумме кинетических энергий протона и ядра кислорода за вычетом первоначальной энергии альфа-частицы. Превращения происходят в ничтожных масштабах, ибо всего одна альфа-частица из 50 тысяч приближается к ядру достаточно близко, чтобы быть им захваченной. Фотографируя следы нескольких сотен тысяч альфа- частиц в наполненной азотом камере Вильсона, Блэкетт установил несколько удачных случаев превращения ядер азота. Послесловие
Смерть ученого На своей последней лекции, прочитанной в 1937 году, Резерфорд говорил о практическом использовании ядерной энергии с помощью «искусственного расщепления элементов». Но он не представлял себе четко, как это удастся осуществить. Он полагал наиболее реальным применение нейтронов. «Увы, говорит Аллибон, Резерфорд скончался за 14 месяцев до открытия деления ядер, при котором высвобождаются нейтроны. Все последствия этого открытия нам хорошо известны. Сейчас, в год 100-летия со дня рождения Резерфорда, в Англии 14% от общего количества вырабатываемой электроэнергии дают ядра урана. Сколь многим обязаны мы этому человеку». Эрнест Резерфорд умер в 1937 году 10 октября. В Вестминстерском аббатстве над прахом Резерфорда воздвигнуто скромное надгробье. Оно напоминает о гениальной простоте и непритязательности этого человека, который заглянул в глубь атома. Послесловие
Послесловие Воспоминания современников или они знали РезерфордаВоспоминания современников или они знали РезерфордаВоспоминания современников или они знали РезерфордаВоспоминания современников или они знали Резерфорда Афоризмы Э. РезерфордаАфоризмы Э. РезерфордаАфоризмы Э. РезерфордаАфоризмы Э. Резерфорда ФотографииФотографииФотографии Последнее письмо ученогоПоследнее письмо ученогоПоследнее письмо ученогоПоследнее письмо ученого Краткая жизненная летописьКраткая жизненная летописьКраткая жизненная летописьКраткая жизненная летопись
Афоризмы Резерфорда oНауки делятся на две группы - на физику и собирание марок. o- Я работаю с утра до вечера. - А когда же вы думаете?(Резерфорд) oТри стадии признания научной истины: первая - "это абсурд", вторая - "в этом что-то есть", третья - "это общеизвестно".
Фотографии Здесь собраны снимки из тех немногих, оставшихся после смерти ученого.
Последнее письмо ученого «15 мая 1936 г. Этот семестр я был больше занят, чем когда-либо. Но вы знаете, что мой характер очень улучшился в последние годы, и мне кажется, что никто не пострадал от него за последние несколько недель. Начните научную работу, даже если она не будет иметь мирового значения, начните как можно скорее, и вы сразу почувствуете себя счастливее. Чем труднее работа, тем меньше времени останется на неприятности. Вы же знаете, что некоторое количество блох хорошо для собаки, но я думаю, что вы чувствуете, что у вас их больше, чем нужно...» Последнее письмо Резерфорда к Капице датировано 9 октября 1937 года. Можно полагать, что это было одно из последних писем, вообще написанных Резерфордом. Через 10 дней он умер. В этом письме к Капице Резерфорд писал о предполагаемой поездке в Индию, увы, которой уже не суждено было состояться. В нем есть и тревожная нотка: «...Мне приятно сказать что физически я чувствую себя недурно, но мне хотелось бы, чтобы жизнь не была столь утомительна во время семестра». Комментируя это письмо Резерфорда, Капица заметил: «За десять дней до смерти он не чувствовал, как она близка».
Краткая жизненная летопись 1871, 30 августа. В поселке Брайтуотер на островах Новой Зеландии родился Эрнест Резерфорд Окончание начальной школы в Хейвлоке и поступление в пятый класс колледжа в г. Нельсоне (средняя школа) Поступление в Кентерберийский университет (тоже называвшийся колледжем) в новозеландском го роде Крайстчерче Окончание университета со степенью бакалавра наук. Кратковременная работа учителем школы. Получение «стипендии 1891 года». Отъезд в Англию. Встреча в Аделаиде (Австралия) с известным физиком Уильямом Бреггом-отцом. Резерфорд демонстрирует ему собственноручно изготовленный приемник радиоволн. Поступление практикантом в Кавендишскую лабораторию («исследовательским студентом»), руководимую проф. Джозефом Томсоном.
1896. Установление в Кембридже радиосвязи на рас стояние 3 километров. Участие в работах Томсона по изучению ионизации газов под действием электрических разрядов и рентгеновских лучей. Открытие Анри Беккерелем в Париже радиоактивности урана Работы Томсона завершаются открытием им электрона и созданием электронной модели атома Открытие с помощью магнитного поля альфа- и бета-излучений. Мария Кюри позднее подтверждает правильность этого открытия. Переезд из Англии в Канаду и занятие должности профессора МакГиллского университета в Монреале (Канада) Статья Резерфорда в «Философикал Мэгезин», в которой впервые сообщается об альфа- и бета- частицах, излучаемых радиоактивными элементами Открытие эманации тория. Поездка на Новую Зеландию и женитьба на Мери Ньютон Составлены в содружестве с Ф. Содди первые «генеалогические деревья» радиоактивных веществ. Формулирование совместно с Ф.Содди теории радиоактивного распада. Избрание в члены Лондонского Королевского общества (Английская академия наук). Встреча; в Париже с супругами Марией и Пьером Кюри.
1904. Издательство Кембриджского университета выпускает книгу Резерфорда «Радиоактивные вещества и "их излучения». В ней подытожена многолетняя работа.в Мак-Гиллском университете Переезд из Канады в Англию. Занятие должности профессора физики университета Виктории в Манчестере Изучение совместно с Гансом Гейгером альфа-частиц методом счета вспышек (сцинтилляций) при ударе частиц о люминесцирующий экран из сернистого цинка. Присуждение Нобелевской премии по химии Осуществление опыта, бесспорно доказывающего, что а- частицы это атомы гелия. Эксперимент, вы полненный совместно с Марсденом по рассеянию альфа-частиц. Он привел Резерфорда к мысли о том, что в центре атома существует массивная часть, названная им ядром. Год рождения ядерной физики Первое описание ядерной модели атома Резерфорда. Опубликование в майском выпуске журнала «Философикал Мэгезин» статьи «Рассеяние альфа- и бета-излучения в веществе и структура атома».
1912. Начало работы у Резерфорда в Манчестере молодого датского физика-теоретика Нильса Бора. Теоретические исследования им устойчивости системы ядерной модели атома Резерфорда. В связи с попытками обосновать устойчивость электронов, движущихся вокруг ядра, Бор развил квантовые представления, объясняющие устойчивость системы электроны ядро Резерфорд направляет в печать статью Нильса Бора «О структуре атомов и молекул». В ней на основе принципиально новых квантовых представлений устраняются теоретические трудности при толковании ядер ной модели. В том же году Резерфорд рекомендует к опубликованию известную работу своего ученика Генри Мозли «Высокочастотные спектры химических элементов». В этой статье Мозли показал, что заряд ядра точно равен порядковому номеру элемента в периодической таблице. Мозли считают основателем рентгеноскопии Получение дворянства. Резерфорд становится сэром. (В Англии титул дворянина может быть дан за выдающиеся заслуги в области науки, литературы, искусства и др.) Начало первой мировой войны гг. Резерфорд привлекается в обязательном порядке к военно-исследовательской работе. В частности, он приступает к изучению проблемы акустического обнаружения подводных лодок.
1917. Командировка в Париж в связи с военными ис следованиями. Встреча с Полем Ланжевеном, разрабатывающим применение пьезокварцевых излучателей для возбуждения ультразвуковых волн (в лаборатории Коллеж де Франс) Резерфорд приглашен советом Кембриджского университета на должность директора Кавендишской лаборатории. Приглашение дано в связи с тем, что Джозеф Томсон, которому исполнилось 70 лет, решил покинуть свою должность ( но он продолжал научно-исследовательскую и преподавательскую работу). Переезд из Манчестера в Кембридж, где Резерфорд оставался до конца своих дней. Открытие искусственной ядерной реакции при бомбардировке альфа- частицами азота и превращении его в кислород и водород (протоны) Резерфорд в своей лекции предсказывает существование в ядре нейтральной ядерной частицы. Она была позднее экспериментально открыта в Кавендишской лаборатории и названа нейтроном. Резерфорд говорит о возможности существования изотопов водорода дейтерия и трития, а также изотопа гелия гелия-3. Через 20 лет после смерти Резерфорда академик И. В. Курчатов при посещении в 1956 г. Английского атомного центра в Харуэлле подчеркнет значение работ Резерфорда для современных термоядерных исследований, особенно возбуждения термоядерных реакций в смеси дейтерия с тритием.
1921. Резерфорд принимает в Кавендишскую лабораторию молодого ленинградского физика П. Л. Капицу, окончившего Петроградский политехнический институт. Кандидатура Капицы была предложена Резерфорду академиком А. Ф. Иоффе, которого Капица считает своим первым учителем, а Резерфорда вторым. У Резерфорда Капица работал около 14 лет Избрание Резерфорда президентом Британской ассоциации содействия развитию наук. Опубликование работы «Естественное и искусственное разложение элементов», где приводятся результаты экспериментов по осуществлению ядерных реакций в легких элементах Избрание Резерфорда президентом Лондонского Королевского общества (на 5 лет) Неожиданная смерть единственной 23-летней дочери Эйлин-Мери жены математика-преподавателя Кембриджского университета Фаулера Резерфорду присваивают титул барона. Отныне он именуется лордом Резерфордом оф Нельсон (по имени Новозеландского города Нельсона, где Резерфорд учился в средней школе).
1932. Сообщение ученика Резерфорда Джеймса Чедвика об открытии нейтрона. Молодые сотрудники Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон осуществляют первую ядерную реакцию, используя не альфа-частицы, а протоны, разогнанные до больших скоростей в построенном ими высоковольтном ускорителе Открытие на территории Кавендишской лаборатории лаборатории имени Монда, предназначенной для работ П. Л. Капицы, который стал ее директором. В мае Резерфорд участвует в составлении меморандума о создании Совета экономической помощи ученым, изгнанным из гитлеровской Германии. Возглавил Совет Резерфорд. На митинге в Лондонском Альберт-холле он выступил вместе с Эйнштейном в защиту немецких ученых. Тут же был собран один миллион фунтов стерлингов для оказания финансовой помощи ученым жертвам фашизма Исследование ядерных реакций при бомбардировке изотопов лития протонами и дейтронами. Открытие 3Н (трития) и 3Не. 1937, 10 октября. Смерть Резерфорда
Воспоминания современников или они знали Резерфорда Прославленный физик, профессор, директор Кавендишской лаборатории, лауреат Нобелевской премии по химии, член Лондонского Королевского общества, член многих академий и институтов мира Эрнест Резерфорд вот уже много лет привлекает к себе внимание ученых и писателей. Не удивительно влияние научного гения Резерфорда сейчас особенно ясно прослеживается во многих областях науки и техники. Труды его и в настоящее время служат источниками новых идей и открытий. Физики и химики пересматривают его статьи, изданные Королевским обществом и Кембриджским университетом, надеясь найти в них отправные точки для новых исследований.
П.Л. Капица П. Л. Капица впервые встретился с Резерфордом в Кембридже в 1921 году. Вот каким он запомнился Капице: «Наружностью он был довольно плотный, роста выше среднего, глаза у него были голубые, всегда очень веселые, лицо очень выразительное. Он был подвижен, голос у него был громкий, он плохо умел его модулировать, вполголоса он говорить не мог. Когда профессор входил в лабораторию, все знали об этом, и по интонации можно было судить в духе профессор или нет. Во всей его манере общения с людьми сразу с первого слова бросались в глаза его искренность и непосредственность. Ответы его были всегда кратки, ясны и точны. Проводить время в его обществе было исключительно приятно. Когда ему что-нибудь рассказывали, он немедленно реагировал, что бы это ни было. С ним можно было обсуждать любую проблему он сразу начинал охотно говорить о ней».
М. Олифант Австралийский профессор Марк Олифант один раздел своих воспоминаний о Резерфорде озаглавил «Несправедливость и война». Ненависть к войне и ко всякому насилию была в высшей степени свойственна Резерфорду. Ученый умер до начала второй мировой войны, но он был свидетелем зарождения и разгула гитлеровского фашизма в Германии. По свидетельству М. Олифанта, Резерфорда потрясли зверства фашистов, лишивших в 1933 году работы и родины многих немецких интеллигентов. Среди жертв гитлеризма были величайшие немецкие ученые Альберт Эйнштейн, Макс Борн, Джемс Франк, Отто Штерн и другие. Резерфорд знал лично большинство из них, а с некоторыми вместе работал.
А. Эйнштейн Альберт Эйнштейн по праву разделил с Резерфордом славу первых физиков нашего века. Резерфорду и Эйнштейну почти не пришлось общаться, Эйнштейн говорил об этом своему другу и впоследствии биографу Карлу Зелигу: «Личная встреча была мимолетной, но с его работами я знакомился по рефератам на коллоквиумах в Берлине. Они вызывали всеобщее восхищение и удивление. Я тоже считаю Резерфорда одним из величайших физиков-экспериментаторов всех времен, стоящим в одном ряду с Фарадеем. Тот факт, что мне не представилось возможности упомянуть о нем в моих трудах, объясняется тем, что я сосредоточил свои усилия на отвлеченной теории, в то время как Резерфорд сумел достичь глубоких познаний путем довольно простых размышлений и использования сравнительно несложных средств».
У. Льюис Американский профессор Уилфрид Льюис, сотрудничавший с Резерфордом с 1930 по 1933 год, тоже подчеркивает, что для работы в Кавендише отводилось время от 9 до 6 часов вечера, «ибо, как говорил Резерфорд, вечера нужны для обдумывания и обработки результатов и написания работ. Ни одно исследование не считалось законченным, пока оно не опубликовано. Два месяца на исследование таков был стандарт Резерфорда, даже если оно совмещалось с преподавательской деятельностью. Его группа, состоявшая из четырех сотрудников... за три года напечатала 12 работ, что не так далеко от его стандарта, если учесть, что тогда у нас был десятинедельный отпуск, после чего в году оставалось три с половиной двухмесячных периода».
Ю.Б. Харитон Академик Ю. Б. Харитон, два года работавший у Резерфорда в Кавендишской лаборатории, говорил, что на всех людей, знавших лично этого знаменитого ученого, он производил «буквально чарующее впечатление». Ныне известный советский ученый, а тогда, в Кембридже, начинающий исследователь Ю. Б. Харитон отмечал, что Резерфорд проявлял живой интерес ко всему окружающему, имел большой жизненный опыт, широкий кругозор и был прост в обращении, что делало его исключительно приятным и интересным собеседником. «Резерфорд был учителем в самом высоком смысле этого слова. Он никогда не навязывал ученикам свои идеи и всячески поддерживал все проявления самостоятельного образа мышления. Он никогда не жалел «отдавать» на разработку свои мысли. Многие работы, не носящие его имени, обязаны ему своим происхождением. Резерфорд не любил входить в детали работы молодых учеников, считая, что слишком глубокое участие в работе подавляет инициативу. Но он чрезвычайно внимательно анализировал и обсуждал результаты, проявляя ко всем вопросам неисчерпаемый интерес, вдохновляя и увлекая каждого, кто имел с ним дело. Он проявлял строгие требования к изложению результатов, часто заставлял полностью переделывать уже написанные статьи».
«Творцы науки и техники. Эрнест Резерфорд» Ф. Кедров, издательство «Знание», Москва, 1980 год. «Я познаю мир. Физика» энциклопедия, издательство АСТ, Москва, 2000 год. «Истории открытий» энциклопедия, издательство «Росмэн», Москва, 1997 год.
Д анную презентацию подготовила ученица 11-Б класса МОУ «Гатчинская гимназия имени К.Д. Ушинского» Гудошина Евгения Учитель: Шишкина Марина Николаевна учебный год