Kort biografi om Ernest Rutherford. Rutherford opdager atomkernen

Nobelprisen i kemi, 1908

Den engelske fysiker Ernest Rutherford blev født i New Zealand, nær Nelson. Han var et af 12 børn af hjulmager og bygningsarbejder James Rutherford, en skotte, og Martha (Thompson) Rutherford, en engelsk skolelærer. Først gik R. i lokale folkeskoler og gymnasier og blev derefter stipendiestuderende ved Nelson College, en privat Gymnasium, hvor han viste sig at være en talentfuld elev, især i matematik. Takket være sin akademiske succes modtog R. endnu et stipendium, som gjorde det muligt for ham at komme ind på Canterbury College i Christchurch, en af ​​de største byer i New Zealand.

På college var R. meget påvirket af sine lærere: E.U., der underviste i fysik og kemi. Bickerton og matematiker J.H.H. Laver mad. Efter at R. blev tildelt en Bachelor of Arts-grad i 1892, blev han ved Canterbury College og fortsatte sine studier takket være et stipendium i matematik. Året efter blev han Master of Arts, efter at have bestået eksamenerne i matematik og fysik bedst af alle. Hans kandidatafhandling omhandlede detektering af højfrekvente radiobølger, hvis eksistens blev bevist for omkring ti år siden. For at studere dette fænomen konstruerede han en trådløs radiomodtager (flere år før Guglielmo Marconi gjorde det) og modtog med dens hjælp signaler transmitteret af kolleger fra en afstand af en halv mile.

I 1894 fik R. en bachelorgrad i naturvidenskab. Det var en tradition på Canterbury College, at enhver studerende, der afsluttede en Master of Arts-grad og forblev på college, skulle gennemføre yderligere studier og opnå en Bachelor of Science-grad. Så underviste R. en kort tid på en af ​​drengeskolerne i Christchurch. Takket være sine ekstraordinære evner til videnskab blev R. tildelt et stipendium til University of Cambridge i England, hvor han studerede ved Cavendish Laboratory, et af verdens førende centre for videnskabelig forskning.

I Cambridge arbejdede R. under vejledning af den engelske fysiker J.J. Thomson. Thomson var dybt imponeret over R.s forskning i radiobølger, og i 1896 foreslog han i fællesskab at studere virkningerne af røntgenstråler ( åbent år tidligere Wilhelm Roentgen) om elektriske udladninger i gasser. Deres samarbejde resulterede i betydelige resultater, herunder Thomsons opdagelse af elektronen, en atompartikel, der bærer en negativ elektrisk ladning. Baseret på deres forskning antog Thomson og R., at når røntgenstråler passerer gennem en gas, ødelægger de atomerne i den gas og frigiver samme nummer positivt og negativt ladede partikler. De kaldte disse partikler ioner. Efter dette arbejde begyndte R. at studere atomstruktur.

I 1898 accepterede R. en stilling som professor ved McGill University i Montreal (Canada), hvor han påbegyndte en række vigtige eksperimenter vedrørende den radioaktive stråling af grundstoffet uran. Han opdagede snart to typer af denne stråling: emissionen af ​​alfastråler, som kun trænger ind over en kort afstand, og beta-stråler, som trænger betydeligt ind. længere afstand. Så opdagede R., at radioaktivt thorium udsender et gasformigt radioaktivt produkt, som han kaldte "emanation" (emission - red.).

Yderligere forskning viste, at to andre radioaktive grundstoffer - radium og aktinium - også producerer emanation. Baseret på disse og andre opdagelser kom R. til to vigtige konklusioner for at forstå strålingens natur: alle kendte radioaktive grundstoffer udsender alfa- og beta-stråler, og endnu vigtigere, radioaktiviteten af ​​ethvert radioaktivt grundstof falder efter en bestemt specifik tidsperiode . Disse fund gav grund til at antage, at alle radioaktive grundstoffer tilhører samme familie af atomer, og at deres klassificering kan baseres på perioden med fald i deres radioaktivitet.

Baseret på yderligere forskning udført ved McGill University i 1901...1902 skitserede R. og hans kollega Frederick Soddy de vigtigste bestemmelser i teorien om radioaktivitet, de skabte. Ifølge denne teori opstår radioaktivitet, når et atom mister en partikel af sig selv, som udstødes med stor hastighed, og dette tab omdanner et atom af et kemisk grundstof til et atom af et andet. Teorien fremsat af R. og Soddy var i konflikt med en række allerede eksisterende ideer, herunder det længe accepterede koncept, at atomer er udelelige og uforanderlige partikler.

R. udførte yderligere eksperimenter for at opnå resultater, der bekræftede den teori, han byggede. I 1903 beviste han, at alfapartikler bærer en positiv ladning. Fordi disse partikler har målbar masse, er det afgørende at "udskyde" dem fra atomet for at omdanne et radioaktivt grundstof til et andet. Den skabte teori tillod også R. at forudsige den hastighed, hvormed forskellige radioaktive grundstoffer ville blive til, hvad han kaldte dattermateriale. Videnskabsmanden var overbevist om, at alfapartikler ikke kunne skelnes fra kernen af ​​et heliumatom. Bekræftelsen af ​​dette kom, da Soddy, der dengang arbejdede med den engelske kemiker William Ramsay, opdagede, at radium-emanationer indeholdt helium, den formodede alfa-partikel.

I 1907 tog P., der forsøgte at være tættere på centrum for videnskabelig forskning, stillingen som professor i fysik ved University of Manchester (England). Med hjælp fra Hans Geiger, der senere blev berømt som opfinderen af ​​Geigertælleren, skabte R. en skole til undersøgelse af radioaktivitet i Manchester.

I 1908 blev R. tildelt Nobelprisen i kemi "for sin forskning inden for nedbrydning af grundstoffer i radioaktive stoffers kemi." I sin åbningstale på vegne af Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi sagde K.B. Hasselberg påpegede sammenhængen mellem arbejdet udført af P. og arbejdet af Thomson, Henri Becquerel, Pierre og Marie Curie. "Opdagelserne førte til en fantastisk konklusion: kemisk element... i stand til at transformere sig til andre elementer,” sagde Hasselberg. I sit Nobelforedrag bemærkede R.: ”Der er al mulig grund til at tro, at de alfapartikler, der så frit udstødes fra de fleste radioaktive stoffer, er identiske i masse og sammensætning og skal bestå af kerner af heliumatomer. Vi kan derfor ikke undgå at komme til den konklusion, at atomerne i de basale radioaktive grundstoffer, såsom uran og thorium, skal bygges iflg. i det mindste dels fra heliumatomer."

Efter at have modtaget Nobel pris R. begyndte at studere det fænomen, der blev observeret, da en plade af tynd guldfolie blev bombarderet med alfapartikler udsendt af et radioaktivt grundstof såsom uran. Det viste sig, at ved hjælp af refleksionsvinklen for alfapartikler er det muligt at studere strukturen af ​​de stabile elementer, der udgør pladen. Ifølge de dengang accepterede ideer var modellen af ​​atomet som rosinbudding: positive og negative ladninger var jævnt fordelt inde i atomet og kunne derfor ikke ændre alfapartiklernes bevægelsesretning væsentligt. P. bemærkede dog, at visse alfapartikler afveg væsentligt fra den forventede retning. i højere grad end teorien tillader. I samarbejde med Ernest Marsden, en studerende ved University of Manchester, bekræftede videnskabsmanden, at et ret stort antal alfapartikler blev afbøjet længere end forventet, nogle i vinkler på mere end 90 grader.

Efter at reflektere over dette fænomen foreslog R. i 1911 ny model atom. Ifølge hans teori, som er blevet almindeligt accepteret i dag, er positivt ladede partikler koncentreret i atomets tunge centrum, og negativt ladede (elektroner) er i kredsløb om kernen et godt stykke væk. lang distance Fra ham. Denne model er som en lille model solsystem, indebærer, at atomer hovedsageligt består af tomt rum. Bred anerkendelse af R.s teorier begyndte i 1913, da den danske fysiker Niels Bohr sluttede sig til videnskabsmandens arbejde ved University of Manchester. Bohr viste, at med hensyn til strukturen foreslået af R., velkendt fysiske egenskaber et brintatom, samt atomer af flere tungere grundstoffer.

Hvornår brød den første ud? Verdenskrig, R. blev udnævnt til medlem af den civile komité i Office of Invention and Research i det britiske admiralitet og studerede problemet med at bestemme placeringen af ​​ubåde ved hjælp af akustik. Efter krigen vendte han tilbage til Manchester-laboratoriet og gjorde i 1919 en anden fundamental opdagelse. Ved at studere strukturen af ​​brintatomer ved at bombardere dem med alfapartikler, som har høj hastighed, bemærkede han et signal på sin detektor, der kunne forklares som et resultat af, at kernen i et brintatom blev sat i bevægelse på grund af en kollision med en alfapartikel. Men nøjagtig det samme signal dukkede op, da videnskabsmanden erstattede brintatomer med nitrogenatomer. R. forklarede årsagen til dette fænomen ved at sige, at bombardement forårsager henfald af et stabilt atom. De der. I en proces, der ligner det naturligt forekommende henfald forårsaget af stråling, slår en alfapartikel en enkelt proton (kernen af ​​et brintatom) ud af en stabil normale forhold nitrogenatomets kerne og giver det monstrøs hastighed. Yderligere beviser til fordel for denne fortolkning af dette fænomen blev opnået i 1934, da Frédéric Joliot og Irène Joliot-Curie opdagede kunstig radioaktivitet.

I 1919 flyttede R. til University of Cambridge og blev Thomsons efterfølger som professor i eksperimentel fysik og direktør for Cavendish Laboratory, og i 1921 overtog han stillingen som professor i naturvidenskab ved Royal Institution i London. I 1930 blev R. udnævnt til formand for regeringens rådgivende råd for Kontoret for videnskabelig og industriel forskning. Da han var på toppen af ​​sin karriere, tiltrak videnskabsmanden mange talentfulde unge fysikere til at arbejde i hans laboratorium i Cambridge, inkl. OM EFTERMIDDAGEN. Blackett, John Cockcroft, James Chadwick og Ernest Walton. På trods af at dette gav R. selv mindre tid til aktiv forskningsarbejde, hans dybe interesse for den forskning, der udføres, og hans klare lederskab var med til at fastholde højt niveau arbejde udført i hans laboratorium. Studerende og kolleger huskede videnskabsmanden som en sød, venlig person. Sammen med den fremsynsgave, der ligger i ham som teoretiker, havde R. en praktisk streg. Det var takket være hende, at han altid var præcis i at forklare observerede fænomener, uanset hvor usædvanlige de kunne virke ved første øjekast.

Bekymret over den politik, Adolf Hitlers nazistiske regering førte, blev R. i 1933 præsident for Academic Relief Council, som blev oprettet for at hjælpe dem, der flygtede fra Tyskland.

I 1900, under en kort tur til New Zealand, R. giftede sig med Mary Newton, som fødte ham en datter. Han nød godt helbred næsten indtil slutningen af ​​sit liv og døde i Cambridge i 1937 efter en kort sygdom. R. er begravet i Westminster Abbey nær Isaac Newtons og Charles Darwins grave.

Blandt de priser, som R. har modtaget, er Rumford-medaljen (1904) og Copley-medaljen (1922) fra Royal Society of London, samt den britiske fortjenstorden (1925). I 1931 fik videnskabsmanden en peerage. R. blev tildelt æresgrader fra New Zealand, Cambridge, Wisconsin, Pennsylvania og McGill universiteter. Han var et tilsvarende medlem af Royal Society of Göttingen, samt medlem af New Zealand Philosophical Institute og American Philosophical Society. The Academy of Sciences of St. Louis, Royal Society of London og British Association for the Advancement of Science.

Nobelprismodtagere: Encyclopedia: Trans. fra engelsk – M.: Progress, 1992.
© H.W. Wilson Company, 1987.
© Oversættelse til russisk med tilføjelser, Progress Publishing House, 1992.

Den første side af E. Rutherfords artikel i Philosophical Magazine, 6, 21 (1911), hvor begrebet "atomkerne" først blev introduceret.

Atomkernen, opdaget for 100 år siden af ​​E. Rutherford, er et bundet system af interagerende protoner og neutroner. Hver atomkerne er unik på sin egen måde. Til beskrivelse atomkerner udviklede sig forskellige modeller, der beskriver individuelle specifikke træk ved atomkerner. Undersøgelsen af ​​egenskaberne af atomkerner opdaget ny verden- den subatomære kvanteverden, førte til etableringen af ​​nye love om bevarelse og symmetri. Den viden, der opnås i kernefysik, er meget udbredt i naturvidenskaberne fra studiet af levende systemer til astrofysik.

1. 1911 Rutherford opdager atomkernen.

I juni-udgaven af ​​Philosophical Magazine fra 1911 blev E. Rutherfords værk "Scattering of α- and β-particles by matter and the structure of the atom" offentliggjort, hvori konceptet om "atomkerne".
E. Rutherford analyserede resultaterne af G. Geigers og E. Marsdens arbejde med spredning af α-partikler på tynd guldfolie, hvor det uventet blev opdaget, at et lille antal α-partikler afbøjes med en vinkel større end 90°. Dette resultat var i modstrid med J. J. Thomsons dengang dominerende model af atomet, ifølge hvilken atomet bestod af negativt ladede elektroner og en lige stor mængde positiv elektricitet ensartet fordelt inden for en kugle med radius R ≈ 10 - 8 cm. For at forklare de opnåede resultater af Geiger og Marsden udviklede Rutherford en model til spredning af en elektrisk punktladning af en anden punktafgift baseret på Coulombs lov og Newtons bevægelseslove og opnåede afhængigheden af ​​sandsynligheden for α-partikelspredning ved en vinkel θ på energien E af den indfaldende α-partikel

Vinkelfordelingen af ​​α-partikler målt af Geiger og Marsden kunne kun forklares, hvis vi antog, at atomet havde en central ladning fordelt over et område på størrelse med<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.

I 1910 kom en ung videnskabsmand ved navn Marsden for at arbejde i Rutherfords laboratorium. Han bad Rutherford give ham et meget simpelt problem. Rutherford instruerede ham til at tælle alfapartikler, der passerer gennem stof, og finde deres spredning. Samtidig bemærkede Rutherford, at Marsden efter hans mening ikke ville finde noget bemærkelsesværdigt. Rutherford baserede sine overvejelser på Thomson-modellen af ​​atomet, der blev accepteret på det tidspunkt. I overensstemmelse med denne model blev atomet repræsenteret af en kugle, der målte 10 -8 cm med en ligeligt fordelt positiv ladning, hvori elektroner var indskudt. Sidstnævntes harmoniske vibrationer bestemte emissionsspektrene. Det er let at vise, at alfapartikler let skulle passere gennem en sådan kugle, og der kunne ikke forventes særlig spredning. Alfapartiklerne brugte al energien langs deres vej på at udstøde elektroner, som ioniserede de omgivende atomer.
Marsden, under ledelse af Geiger, begyndte at foretage sine observationer og bemærkede snart, at de fleste alfapartikler passerer gennem stof, men der er stadig mærkbar spredning, og nogle partikler ser ud til at hoppe tilbage. Da Rutherford fandt ud af dette, sagde han:
— Det er umuligt. Dette er lige så umuligt, som det er umuligt for en kugle at prelle af papiret.
Denne sætning viser, hvor konkret og billedligt han så fænomenet.
Marsden og Geiger offentliggjorde deres arbejde, og Rutherford besluttede straks, at den eksisterende idé om atomet var forkert og skulle revideres radikalt.
Ved at studere loven om fordeling af reflekterede α-partikler forsøgte Rutherford at bestemme, hvilken feltfordeling inde i atomet, der var nødvendig for at bestemme spredningsloven, under hvilken α-partikler endda kunne vende tilbage. Han kom til den konklusion, at dette er muligt, når hele ladningen ikke er koncentreret i hele atomets volumen, men i midten. Størrelsen af ​​dette center, som han kaldte kernen, er meget lille: 10 -12 —10 -13 cm i diameter. Men hvor skal vi så placere elektronerne? Rutherford besluttede, at de negativt ladede elektroner skulle fordeles i en cirkel - de kunne holdes ved rotation, hvis centrifugalkraft balancerer tiltrækningskraften af ​​den positive ladning af kernen. Derfor er atommodellen ikke andet end et bestemt solsystem, der består af en kerne - solen og elektronerne - planeterne. Så han skabte sin model af atomet.
Denne model mødte fuldstændig forvirring, da den var i modstrid med nogle af fysikkens dengang, tilsyneladende urokkelige, grundlæggende principper.

P.L. Kapitsa. "Erindringer om professor E. Rutherford"

1909-1911 Eksperimenter af G. Geiger og E. Marsden

G. Geiger og E. Marsden så, at når de passerede gennem en tynd guldfolie, fløj de fleste α-partikler som forventet igennem uden afbøjning, men uventet opdagede man, at nogle α-partikler blev afbøjet i meget store vinkler. Nogle alfapartikler blev endda spredt i den modsatte retning. Beregninger af atomernes elektriske feltstyrke i Thomson- og Rutherford-modellerne viser en signifikant forskel mellem disse modeller. Feltstyrken af ​​en positiv ladning fordelt over overfladen af ​​et atom i Thomson-modellens tilfælde er ~10 13 V/m. I Rutherfords model er den positive ladning placeret i centrum af atomet i regionen 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.

E. Rutherford, 1911 ”Det er velkendtα - Ogβ -partikler, når de kolliderer med atomer af et stof, oplever afvigelse fra en lige vej. Denne spredning er meget mere mærkbar iβ -partikler endα -partikler, fordi de har væsentligt lavere impulser og energier. Der er derfor ingen tvivl om, at sådanne hurtigt bevægende partikler trænger ind i de atomer, de møder, og at de observerede afvigelser skyldes det stærke elektriske felt, der opererer i atomsystemet. Det blev normalt antaget, at strålespredningα - ellerβ -stråler, der passerer gennem en tynd plade af stof, er resultatet af adskillige små spredninger under passagen af ​​stoffets atomer. Imidlertid viste observationer foretaget af Geiger og Marsden, at en vis mængdeα -partikler i en enkelt kollision oplever en afbøjning på mere end 90°. En simpel beregning viser, at der skal eksistere et stærkt elektrisk felt i atomet, for at der kan skabes så stor en afbøjning under en enkelt kollision."

1911 E. Rutherford. Atomkerne

a + 197 Au → a + 197 Au

Ernest Rutherford (1891-1937)

Baseret på den planetariske model af atomet, udledte Rutherford en formel, der beskriver spredningen af ​​α-partikler på en tynd guldfolie, i overensstemmelse med resultaterne fra Geiger og Marsden. Rutherford antog, at α-partikler og de atomkerner, som de interagerer med, kan betragtes som punktmasser og ladninger, og at kun elektrostatiske frastødende kræfter virker mellem positivt ladede kerner og α-partikler, og at kernen er så tung sammenlignet med α-partiklen, at den gør det. ikke bevæge sig under interaktion. Elektroner roterer rundt om atomkernen på en karakteristisk atomskala på ~10-8 cm og påvirker på grund af deres lave masse ikke spredningen af ​​α-partikler.

For det første opnåede Rutherford afhængigheden af ​​spredningsvinklen θ af en α-partikel med energi E på anslagsparameteren b for en kollision med en punktmasse-kerne. b - stødparameter - den minimale afstand, hvormed α-partiklen ville nærme sig kernen, hvis der ikke var frastødende kræfter mellem dem, θ - spredningsvinkel for α-partiklen, Z 1 e - elektrisk ladning af α-partiklen, Z 2 e - elektriske ladningskerner.
Rutherford beregnede derefter, hvilken brøkdel af en stråle af α-partikler med energi E, der er spredt med en vinkel θ afhængig af ladningen af ​​kernen Z 2 e og ladningen af ​​α-partiklen Z 1 e. Baseret på Newtons og Coulombs klassiske love blev den berømte Rutherford-spredningsformel opnået. Det vigtigste ved at udlede formlen var antagelsen om, at atomet indeholder et massivt positivt ladet center, hvis dimensioner er R< 10 -12 см.

E. Rutherford, 1911: ”Den enkleste antagelse er, at atomet har en central ladning fordelt over et meget lille volumen, og at store enkeltafvigelser skyldes den centrale ladning som helhed og ikke dens bestanddele. Samtidig er de eksperimentelle data ikke nøjagtige nok til at afvise muligheden for eksistensen af ​​en lille del af den positive ladning i form af satellitter placeret i nogen afstand fra centrum... Det skal bemærkes, at de fundne ca. værdien af ​​guldatomets centrale ladning (100e) falder omtrent sammen med den fundne værdi, som ville have et guldatom bestående af 49 heliumatomer, der hver bærer en ladning på 2e. Måske er dette blot en tilfældighed, men det er meget fristende set ud fra et radioaktivt stofs emission af heliumatomer, der bærer to enheder ladning."

J. J. Thomson og E. Rutherford

E. Rutherford, 1921:"Begrebet om atomets nukleare struktur opstod oprindeligt fra forsøg på at forklare spredningen af ​​α-partikler i store vinkler, når de passerer gennem tynde lag af stof. Da α-partikler har stor masse og høj hastighed, var disse betydelige afvigelser ekstremt bemærkelsesværdige; de indikerede eksistensen af ​​meget elektrisk intense! eller magnetiske felter inde i atomer. For at forklare disse resultater var det nødvendigt at antage, at atomet består af en ladet massiv kerne, meget lille i størrelse sammenlignet med den sædvanligvis accepterede værdi af atomets diameter. Denne positivt ladede kerne indeholder det meste af atomets masse og er i nogen afstand omgivet af negative elektroner fordelt på en bestemt måde; hvis antal er lig med den samlede positive ladning af kernen. Under sådanne forhold bør der eksistere et meget intenst elektrisk felt nær kernen, og α-partikler, når de møder et individuelt atom, der passerer tæt på kernen, afbøjes i betydelige vinkler. Ved at antage, at de elektriske kræfter varierer omvendt med kvadratet af afstanden i området ved siden af ​​kernen, opnåede forfatteren en relation, der relaterer antallet af α-partikler spredt i en bestemt vinkel med ladningen af ​​kernen og energien af ​​α. -partikel.
Spørgsmålet om, hvorvidt et grundstofs atomnummer er et gyldigt mål for dets kerneladning, er så vigtigt, at enhver mulig metode skal anvendes til at løse det. Adskillige undersøgelser er i øjeblikket i gang på Cavendish Laboratory for at teste nøjagtigheden af ​​dette forhold. De to mest direkte metoder er baseret på at studere spredningen af ​​hurtige α- og β-stråler. Den første metode bruges af Chadwick, som bruger nye teknikker; den sidste er af Crowthar. De hidtil opnåede resultater af Chadwick bekræfter fuldt ud identiteten af ​​atomnummeret med den nukleare ladning inden for grænserne for eksperimentets mulige nøjagtighed, som for Chadwick er omkring 1 %."

På trods af at kombinationen af ​​to protoner og to neutroner er en ekstremt stabil formation, menes det i dag, at α-partikler ikke indgår i kernen som en selvstændig strukturel formation. I tilfælde af α-radioaktive grundstoffer er α-partiklens bindingsenergi større end den energi, der kræves for separat at fjerne to protoner og to neutroner fra kernen, så α-partiklen kan udsendes fra kernen, selvom den ikke er til stede i kernen som selvstændig uddannelse.
Rutherfords antagelse om, at atomkernen kan bestå af et vist antal heliumatomer eller omkring positivt ladede satellitter af kernen, var en helt naturlig forklaring på hans opdagelse α radioaktivitet. Ideen om, at partikler kunne skabes som et resultat af forskellige interaktioner, eksisterede endnu ikke på det tidspunkt.
E. Rutherfords opdagelse af atomkernen i 1911 og den efterfølgende undersøgelse af nukleare fænomener ændrede radikalt vores forståelse af verden omkring os. Det berigede videnskaben med nye begreber og var begyndelsen på studiet af stoffets subatomære struktur.

Ernest Rutherford er en kort biografi om den engelske fysiker, grundlæggeren af ​​kernefysik, beskrevet i denne artikel.

Ernest Rutherford kort biografi

(1871–1937)

Ernest Rutherford blev født den 30. august 1871 i New Zealand i den lille landsby Spring Grove i en bondefamilie. Af de tolv børn viste han sig at være den mest begavede.

Ernest dimitterede fra folkeskolen med glans. På Nelson College, hvor Ernest Rutherford blev optaget i den femte form, lagde lærerne mærke til hans exceptionelle matematiske evner. Senere blev Ernest interesseret i naturvidenskab - fysik og kemi.

På Canterbury College modtog Rutherford sin videregående uddannelse, hvorefter han i to år var entusiastisk engageret i forskning inden for elektroteknik.

I 1895 tog han til England, hvor han indtil 1898 arbejdede i Cambridge, på Cavendish Laboratory under vejledning af den fremragende fysiker Joseph-John Thomson. Det giver et betydeligt gennembrud i detektering af afstanden, der bestemmer længden af ​​en elektromagnetisk bølge.

I 1898 begyndte han at studere fænomenet radioaktivitet. Rutherfords første fundamentale opdagelse på dette område - opdagelsen af ​​inhomogeniteten af ​​stråling udsendt af uran - bragte ham popularitet. Takket være Rutherford kom begrebet alfa- og betastråling ind i videnskaben.

I en alder af 26 blev Rutherford inviteret til Montreal som professor ved McGill University, det bedste i Canada. Rutherford arbejdede i Canada i 10 år og oprettede en videnskabelig skole der.

I 1903 blev den 32-årige videnskabsmand valgt til medlem af Royal Society of London i British Academy of Sciences.

I 1907 flyttede Rutherford og hans familie fra Canada til England for at overtage stillingen som professor i fysikafdelingen ved University of Manchester. Umiddelbart efter sin ankomst begyndte Rutherford at udføre eksperimentel forskning i radioaktivitet. Samarbejde med ham var hans assistent og elev, den tyske fysiker Hans Geiger, som udviklede den velkendte geigertæller.

I 1908 modtog Rutherford Nobelprisen i kemi for sin forskning i omdannelse af grundstoffer.

Rutherford udførte en stor række eksperimenter, der bekræftede, at alfapartikler er dobbeltioniserede heliumatomer. Sammen med en anden af ​​sine elever, Ernest Marsden (1889-1970), studerede han de særlige forhold ved passage af alfapartikler gennem tynde metalplader. Baseret på disse eksperimenter, videnskabsmanden foreslået en planetarisk model af atomet: I centrum af atomet er kernen, som elektroner kredser om. Det var en enestående opdagelse på den tid!

Rutherford forudsagde opdagelsen af ​​neutronen, muligheden for at spalte atomkerner af lette elementer og kunstige nukleare transformationer.

Han ledede Cavendish Laboratory i 18 år (fra 1919 til 1937).

E. Rutherford blev valgt til æresmedlem af alle akademier i verden.

Ernest Rutherford døde den 19. oktober 1937, fire dage efter en akut operation for en uventet tilstand - et kvalt brok - i en alder af 66

Som V.I. skriver Grigoriev: "Værkerne af Ernest Rutherford, som ofte med rette kaldes en af ​​fysikkens titaner i vort århundrede, arbejdet fra flere generationer af hans elever havde en enorm indflydelse ikke kun på videnskaben og teknologien i vores århundrede, men også på millioner af menneskers liv. Han var optimist, troede på mennesker og videnskab, som han dedikerede hele sit liv til.”

Ernest Rutherford blev født den 30. august 1871 nær byen Nelson (New Zealand), i familien til hjulmageren James Rutherford, en immigrant fra Skotland.

Ernest var det fjerde barn i familien, foruden ham var der yderligere 6 sønner og 5 døtre. Hans mor. Martha Thompson, arbejdede som lærer på landet. Da hans far organiserede en træbearbejdningsvirksomhed, arbejdede drengen ofte under hans ledelse. De erhvervede færdigheder hjalp efterfølgende Ernest med design og konstruktion af videnskabeligt udstyr.

Efter at have afsluttet skolen i Havelock, hvor familien boede på det tidspunkt, modtog han et stipendium for at fortsætte sin uddannelse på Nelson Provincial College, hvor han kom ind i 1887. To år senere bestod Ernest eksamen på Canterbury College, en afdeling af University of New Zealand i Christchurch. På college blev Rutherford stærkt påvirket af sine lærere: fysik- og kemilærer E.W. Bickerton og matematiker J.H.H. Laver mad.

Ernest viste strålende evner. Efter at have afsluttet sit fjerde år modtog han en pris for det bedste arbejde i matematik og tog førstepladsen i kandidateksamenerne, ikke kun i matematik, men også i fysik. Efter at være blevet en Master of Arts i 1892 forlod han ikke college. Rutherford kastede sig ud i sit første uafhængige videnskabelige arbejde. Det blev kaldt "Magnetisering af jern under højfrekvente udladninger" og vedrørte detektering af højfrekvente radiobølger. For at studere dette fænomen konstruerede han en radiomodtager (flere år før Marconi gjorde det) og modtog med dens hjælp signaler transmitteret af kolleger fra en afstand af en halv mile. Den unge videnskabsmands arbejde blev offentliggjort i 1894 i News of the Philosophical Institute of New Zealand.

De mest talentfulde unge oversøiske undersåtter af den britiske krone fik et særligt stipendium en gang hvert andet år, som gav dem mulighed for at tage til England for at forbedre deres videnskab. I 1895 blev et legat til videnskabelig uddannelse ledigt. Den første kandidat til dette stipendium, kemikeren Maclaurin, nægtede af familiemæssige årsager, den anden kandidat var Rutherford. Ankommet til England modtog Rutherford en invitation fra J.J. Thomson til at arbejde i Cambridge i Cavendish-laboratoriet. Således begyndte Rutherfords videnskabelige rejse.

Thomson var dybt imponeret over Rutherfords forskning i radiobølger, og i 1896 foreslog han i fællesskab at undersøge effekten af ​​røntgenstråler på elektriske udladninger i gasser. Samme år dukkede Thomson og Rutherfords fælles arbejde "Om passage af elektricitet gennem gasser udsat for røntgenstråler". Året efter blev Rutherfords sidste artikel om dette emne, "Magnetic Detector of Electric Waves and Some of Its Applications," offentliggjort. Herefter koncentrerer han sig fuldstændig om undersøgelsen af ​​gasudledning. I 1897 udkom hans nye værk "Om elektrificering af gasser udsat for røntgenstråler og om absorption af røntgenstråler af gasser og dampe".

Samarbejde med Thomson resulterede i betydelige resultater, herunder sidstnævntes opdagelse af elektronen, en partikel, der bærer en negativ elektrisk ladning. Baseret på deres forskning antog Thomson og Rutherford, at når røntgenstråler passerer gennem en gas, ødelægger de atomerne i den gas og frigiver lige mange positivt og negativt ladede partikler. De kaldte disse partikler ioner. Efter dette arbejde begyndte Rutherford at studere stoffets atomare struktur.

I efteråret 1898 accepterede Rutherford et professorat ved McGill University i Montreal. Til at begynde med var Rutherfords undervisning ikke særlig vellykket: Eleverne kunne ikke lide forelæsningerne, som den unge professor, der endnu ikke helt havde lært at mærke publikum, overmættede med detaljer. Nogle vanskeligheder opstod oprindeligt i det videnskabelige arbejde på grund af forsinkelsen i ankomsten af ​​de bestilte radioaktive stoffer. På trods af alle hans anstrengelser modtog han trods alt ikke tilstrækkelige midler til at bygge de nødvendige instrumenter. Rutherford byggede meget af det nødvendige udstyr til eksperimenterne med sine egne hænder.

Ikke desto mindre arbejdede han i Montreal i ret lang tid - syv år. Undtagelsen var i 1900, da Rutherford giftede sig under et kort ophold i New Zealand. Hans udvalgte var Mary Georgia Newton, datter af ejeren af ​​pensionatet i Christchurch, hvor han engang boede. Den 30. marts 1901 blev den eneste datter af Rutherford-parret født. Med tiden faldt dette næsten sammen med fødslen af ​​et nyt kapitel i fysisk videnskab - kernefysik.

"I 1899 opdagede Rutherford emanationen af ​​thorium, og i 1902-03 kom han sammen med F. Soddy allerede til den generelle lov om radioaktive transformationer," skriver V.I. Grigoriev. - Vi skal sige mere om denne videnskabelige begivenhed. Alle kemikere i verden har bestemt erfaret, at omdannelsen af ​​et kemisk grundstof til et andet er umuligt, at alkymisternes drømme om at lave guld af bly bør begraves for evigt. Og nu dukker et værk op, hvis forfattere hævder, at omdannelser af grundstoffer under radioaktivt henfald ikke kun forekommer, men at det endda er umuligt at stoppe eller bremse dem. Desuden er lovene for sådanne transformationer formuleret. Vi forstår nu, at positionen af ​​et grundstof i Mendeleevs periodiske system, og derfor dets kemiske egenskaber, bestemmes af ladningen af ​​kernen. Under alfa-henfald, når ladningen af ​​kernen falder med to enheder (den "elementære" ladning - elektronladningens modul tages som én), "flytter" elementet to celler op i det periodiske system med elektronisk beta-henfald - en celle ned, med positron - en firkant op. På trods af denne lovs tilsyneladende enkelhed og endda selvfølgelighed, blev dens opdagelse en af ​​de vigtigste videnskabelige begivenheder i begyndelsen af ​​vores århundrede."

I deres klassiske værk Radioactivity behandlede Rutherford og Soddy det grundlæggende spørgsmål om energien af ​​radioaktive transformationer. Ved at beregne energien af ​​alfapartikler, der udsendes af radium, konkluderer de, at "energien af ​​radioaktive transformationer er mindst 20.000 gange, og måske en million gange, større end energien af ​​enhver molekylær transformation." Rutherford og Soddy konkluderede, at "energien skjult i atomet er mange gange større end den energi, der frigives ved almindelige kemiske reaktioner." Denne enorme energi bør efter deres mening tages i betragtning "når man forklarer fænomenerne i den kosmiske fysik." Især solenergiens konstanthed kan forklares ved, at "subatomære transformationsprocesser finder sted på Solen."

Man kan ikke undgå at blive forbløffet over fremsynet hos forfatterne, som så atomenergiens kosmiske rolle tilbage i 1903. Dette år var året for opdagelsen af ​​en ny form for energi, som Rutherford og Soddy talte om med sikkerhed og kaldte det intra-atomisk energi.

En verdensberømt videnskabsmand, medlem af Royal Society of London (1903), modtager en invitation til at tage en stol i Manchester. Den 24. maj 1907 vendte Rutherford tilbage til Europa. Her lancerede Rutherford en energisk aktivitet, der tiltrak unge forskere fra hele verden. En af hans aktive samarbejdspartnere var den tyske fysiker Hans Geiger, skaberen af ​​den første elementarpartikeltæller. I Manchester arbejdede E. Marsden, K. Fajans, G. Moseley, G. Hevesy og andre fysikere og kemikere sammen med Rutherford.

I 1908 blev Rutherford tildelt Nobelprisen i kemi "for sin forskning i nedbrydning af grundstoffer i radioaktive stoffers kemi." I sin åbningstale på vegne af Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi sagde K.B. Hasselberg påpegede sammenhængen mellem arbejdet udført af Rutherford og arbejdet af Thomson, Henri Becquerel, Pierre og Marie Curie. "Opdagelserne førte til en forbløffende konklusion: et kemisk element... er i stand til at forvandle sig til andre elementer," sagde Hasselberg. I sit Nobelforedrag bemærkede Rutherford: "Der er al mulig grund til at tro, at alfapartiklerne, som så frit udstødes fra de fleste
radioaktive stoffer er identiske i masse og sammensætning og skal bestå af kerner af heliumatomer. Vi kan derfor ikke lade være med at komme til den konklusion, at atomerne i de grundlæggende radioaktive grundstoffer, såsom uran og thorium, skal være konstrueret, i det mindste delvist, af heliumatomer."

Efter at have modtaget Nobelprisen udførte Rutherford eksperimenter med at bombardere en plade af tynd guldfolie med alfapartikler. De opnåede data førte ham i 1911 til en ny model af atomet. Ifølge hans teori, som er blevet almindeligt accepteret, er positivt ladede partikler koncentreret i atomets tunge centrum, og negativt ladede (elektroner) er placeret i kernens kredsløb, i ret stor afstand fra den. Denne model er som en lille model af solsystemet. Det indebærer, at atomer primært består af tomme rum.

Bred accept af Rutherfords teori begyndte, da den danske fysiker Niels Bohr sluttede sig til videnskabsmandens arbejde ved University of Manchester. Bohr viste, at strukturerne, i vilkår foreslået af Rutherford, kunne forklares med de velkendte fysiske egenskaber af brintatomet, såvel som atomerne af flere tungere grundstoffer.

Rutherford-gruppens frugtbare arbejde i Manchester blev afbrudt af Første Verdenskrig. Den britiske regering udnævnte Rutherford til medlem af "Admiral's Invention and Research Staff", en organisation oprettet for at finde midler til at bekæmpe fjendtlige ubåde. I forbindelse hermed begyndte Rutherfords laboratorium forskning i udbredelse af lyd under vand. Først efter krigens afslutning var videnskabsmanden i stand til at genoptage sin atomforskning.

Efter krigen vendte han tilbage til Manchester-laboratoriet og gjorde i 1919 en anden fundamental opdagelse. Rutherford formåede at udføre den første reaktion af transformation af atomer kunstigt. Ved at bombardere nitrogenatomer med alfapartikler opnåede Rutherford oxygenatomer. Som et resultat af Rutherfords forskning steg atomfysikernes interesse for atomkernens natur kraftigt.

Også i 1919 flyttede Rutherford til University of Cambridge og efterfulgte Thomson som professor i eksperimentel fysik og direktør for Cavendish Laboratory, og i 1921 tiltrådte han stillingen som professor i naturvidenskab ved Royal Institution i London. I 1925 blev videnskabsmanden tildelt British Order of Merit. I 1930 blev Rutherford udnævnt til formand for regeringens rådgivende råd for Office of Scientific and Industrial Research. I 1931 modtog han titlen Lord og blev medlem af House of Lords i det engelske parlament.

Studerende og kolleger huskede videnskabsmanden som en sød, venlig person. De beundrede hans ekstraordinære kreative måde at tænke på og huskede, hvordan han glad sagde, før han startede hver ny undersøgelse: "Jeg håber, dette er et vigtigt emne, for der er stadig så mange ting, vi ikke ved."

Rutherford var bekymret for Adolf Hitlers nazistiske regerings politik og blev præsident for Academic Relief Council i 1933, som blev oprettet for at hjælpe dem, der flygtede fra Tyskland.

Han nød godt helbred næsten indtil slutningen af ​​sit liv og døde i Cambridge den 20. oktober 1937 efter en kort sygdom. Som en anerkendelse af hans enestående tjenester til udviklingen af ​​videnskaben, blev videnskabsmanden begravet i Westminster Abbey.

Engelsk fysiker, en af ​​skaberne af doktrinen om radioaktivitet og atomets struktur, grundlægger af en videnskabelig skole, i. h.-k. RAS (1922), del. USSR Academy of Sciences (1925). Dir. Cavendish Laboratory (siden 1919). Opdagede (1899) alfa- og beta-stråler og etablerede deres natur. Skabte (1903, sammen med F. Soddy) teorien om radioaktivitet. Foreslog (1911) en planetarisk model af atomet. Udførte (1919) den første kunst. nuklear reaktion. Forudsagte (1921) eksistensen af ​​neutronen. Nob. pr. i kemi (1908).

Ernest Rutherford betragtes som den største eksperimentelle fysiker i det tyvende århundrede. Han er en central figur i vores viden om radioaktivitet og manden, der var banebrydende for kernefysikken. Ud over deres enorme teoretiske betydning havde hans opdagelser en bred vifte af anvendelser, herunder: atomvåben, atomkraftværker, radioaktiv calculus og strålingsforskning. Indflydelsen af ​​Rutherfords arbejde på verden er enorm. Det fortsætter med at vokse og ser ud til at stige yderligere i fremtiden.

Rutherford er født og opvokset i New Zealand. Der gik han ind på Canterbury College og havde i en alder af treogtyve modtaget tre grader (Bachelor of Arts, Bachelor of Science, Master of Arts). Året efter blev han tildelt en studieplads ved University of Cambridge i England, hvor han tilbragte tre år som forskningsstuderende under J. J. Thomson, en af ​​datidens førende videnskabsmænd. Som syvogtyve blev Rutherford professor i fysik ved McGill University i Canada. Han arbejdede der i ni år og vendte i 1907 tilbage til England for at lede fysikafdelingen ved University of Manchester. I 1919 vendte Rutherford tilbage til Cambridge, denne gang som direktør for Cavendish Laboratory, en stilling han forblev i resten af ​​sit liv.

Radioaktivitet blev opdaget i 1896 af den franske videnskabsmand Antoine Henri Becquerel, da han eksperimenterede med uranforbindelser. Men Becquerel mistede hurtigt interessen for emnet, og meget af vores grundlæggende viden om radioaktivitet kommer fra Rutherfords omfattende forskning. (Marie og Pierre Curie opdagede yderligere to radioaktive grundstoffer, polonium og radium, men gjorde ikke opdagelser af fundamental betydning.)

En af Rutherfords første opdagelser var, at den radioaktive stråling fra uran består af to forskellige komponenter, som videnskabsmanden kaldte alfa- og beta-stråler. Han demonstrerede senere karakteren af ​​hver komponent (de består af hurtigt bevægende partikler) og viste, at der også var en tredje komponent, som han kaldte gammastråler.

Et vigtigt træk ved radioaktivitet er den energi, der er forbundet med den. Becquerel, Curies og mange andre videnskabsmænd anså energi for at være en ekstern kilde. Men Rutherford beviste, at denne energi - som er meget kraftigere end den, der frigives ved kemiske reaktioner - kommer inde fra individuelle uranatomer! Hermed lagde han grunden til det vigtige begreb om atomenergi.

Forskere har altid antaget, at individuelle atomer er udelelige og uforanderlige. Men Rutherford (med hjælp fra en meget talentfuld ung assistent, Frederick Soddy) var i stand til at vise, at når et atom udsender alfa- eller beta-stråler, omdannes det til en anden slags atom. Først kunne kemikere ikke tro det. Rutherford og Soddy gennemførte dog en hel række eksperimenter med radioaktivt henfald og omdannede uran til bly. Rutherford målte også henfaldshastigheden og formulerede det vigtige begreb "halveringstid". Dette førte snart til teknikken med radioaktiv calculus, som blev et af de vigtigste videnskabelige værktøjer og fandt bred anvendelse inden for geologi, arkæologi, astronomi og mange andre områder.

Denne fantastiske række af opdagelser gav Rutherford en Nobelpris i 1908 (Soddy ville senere vinde en Nobelpris), men hans største præstation var endnu ikke kommet. Han bemærkede, at hurtigt bevægende alfapartikler var i stand til at passere gennem tynd guldfolie (uden at efterlade synlige spor!), men blev lidt afbøjet. Det blev foreslået, at guldatomerne, hårde, uigennemtrængelige, som "små billardkugler" - som videnskabsmænd tidligere havde troet - var bløde indeni! Det så ud som om mindre, hårdere alfapartikler kunne passere gennem guldatomer som en højhastighedskugle gennem gelé.

Men Rutherford (der arbejdede med Geiger og Marsden, hans to unge assistenter) opdagede, at nogle alfapartikler blev afbøjet meget kraftigt, når de passerede gennem guldfolie. Faktisk flyver nogle endda baglæns! Forskeren følte, at der var noget vigtigt bag dette, og talte omhyggeligt antallet af partikler, der fløj i hver retning. Derefter viste han gennem en kompleks, men ganske overbevisende matematisk analyse den eneste måde, hvorpå resultaterne af eksperimenterne kunne forklares: guldatomet bestod næsten udelukkende af det tomme rum, og næsten hele atommassen var koncentreret i midten, i atomets lille "kerne"!

Med ét slag rystede Rutherfords arbejde for altid vores konventionelle syn på verden. Hvis selv et stykke metal - tilsyneladende det hårdeste af alle genstande - dybest set var et tomt rum, så faldt alt, hvad vi troede var væsentligt, pludselig fra hinanden i små sandkorn, der løb rundt i det store tomrum!

Rutherfords opdagelse af atomkerner er grundlaget for alle moderne teorier om atomstruktur. Da Niels Bohr to år senere udgav sit berømte værk, der beskrev atomet som et miniature solsystem styret af kvantemekanik, brugte han Rutherfords kerneteori som udgangspunkt for sin model. Det samme gjorde Heisenberg og Schrödinger, da de konstruerede mere komplekse atommodeller ved hjælp af klassisk og bølgemekanik.

Rutherfords opdagelse førte også til fremkomsten af ​​en ny gren af ​​videnskaben: studiet af atomkernen. I dette område var Rutherford også bestemt til at blive en pioner. I 1919 lykkedes det ham at omdanne nitrogenkerner til iltkerner ved at bombardere førstnævnte med hurtigt bevægende alfapartikler. Dette var en præstation, som de gamle alkymister drømte om.

Det blev hurtigt klart, at nukleare transformationer kunne være en kilde til energi fra Solen. Desuden er omdannelsen af ​​atomkerner en nøgleproces i atomvåben og atomkraftværker. Derfor er Rutherfords opdagelse af meget mere end blot akademisk interesse.

Rutherfords personlighed overraskede konstant alle, der mødte ham. Han var en stor mand med en høj stemme, grænseløs energi og en mærkbar mangel på beskedenhed. Da kolleger bemærkede Rutherfords uhyggelige evne til altid at være "på toppen af ​​en bølge" af videnskabelig forskning, svarede han straks: "Hvorfor ikke? Jeg har jo forårsaget bølgen, ikke?" Få videnskabsmænd vil argumentere med denne påstand.