Ръдърфорд Ърнест: биография, експерименти, открития

Ръдърфорд Ърнест (години живот: 30.08.1871 - 19.10.1937) - английски физик, създател на планетарния модел на атома, основател на ядрената физика. Той е бил член на Кралското дружество в Лондон, а от 1925 до 1930 г. - и неговия президент. Този човек е собственикът Нобелова награда по химия,

Бъдещият учен е роден в семейството на Джеймс Ръдърфорд, колесен майстор, и Марта Томпсън, преподавател. В допълнение към него семейството имаше 5 дъщери и 6 сина.

Обучение и първа награда

Преди семейството да се премести от Южния остров на Нова Зеландия на север през 1889 г., Ръдърфорд учи в Крайстчърч, в Кентърбъри колеж. Още по това време бяха разкрити блестящите способности на бъдещия учен. След края на 4-та година, Ърнест получи наградата за най-добра работа в областта на математиката и взе първо място в магистърските изпити по физика и математика.

Изобретението на магнитен детектор

Ставайки майстор на изкуството, Ръдърфорд не напуска колеж. Той се потапя в независима научна работа по магнетизирането на желязото. Той проектира и произведе специално устройство - магнитен детектор, който стана един от първите приемници на електромагнитни вълни в света, както и "входния билет" на Ръдърфорд в голяма наука. В живота си скоро се случи важна промяна.

Ръдърфорд отива в Англия

Най-надарените млади субекти на английската корона от Нова Зеландия получиха на всеки две години стипендия за тях. Световната изложба от 1851 г., която даде възможност да отиде в Англия за изучаване на науките. През 1895 г. се решава, че двамата Нова Зеляндър заслужават такава чест - физикът Ръдърфорд и химикът Макларин. Имаше обаче само едно място и надеждите на Ърнест паднаха. За щастие, MacLaurin беше принуден от семейните обстоятелства да се откаже от това пътуване, а Рудърфорд Ърнест през есента на 1895 г. пристигна в Англия. Тук той започва работа в университета в Кеймбридж (в лабораторията в Кавендиш) и става първи докторант на Дж. Томсън, негов директор (на снимката по-долу).

Изучавайки лъчите на Бекверел

Томсън беше вече дотогава известен учен, един от членовете на почитаното Royal London Society. Той бързо оцени способностите на Ръдърфорд и го привлече към работата по изучаването на йонизацията на газове под въздействието на рентгенови лъчи, които той проведе. Но през 1898 г., през лятото, Ърнест предприема първите си стъпки в друга област на изследване. Той се интересуваше от лъчите на Бекверел. Излъчването на урановата сол, открито от Бекверел, физик от Франция, по-късно става известно като радиоактивно. Френският учен, както и двойката Кюри, активно участваха в изследванията си. През 1898 г. Ръдърфорд Ърнест се присъединява към работата. Този учен открива, че тези греди включват потоци от хелиеви ядра, положително заредени (алфа частици) и електронни потоци (бета частици).

Допълнително проучване на урана

В Парижката академия на науките на 18 юли 1898 г. е представена работата на двойката Кюри, която предизвиква голям интерес от Ръдърфорд. В него авторите посочват, че в допълнение към урана съществуват и други радиоактивни елементи (този термин се използва за пръв път). Ръдърфорд по-късно представи идеята за полуживот - една от основните отличителни белези на тези елементи.

Ърнест през декември 1897 г. удължи изложбената стипендия. Ученият получи възможността да продължи да изучава урановите лъчи. Въпреки това, през април 1898 г. мястото на професора на местния университет Макгил бе освободено в Монреал, а Ърнест реши да отиде в Канада. Време е за ученичество. За всички беше ясно, че Ръдърфорд вече е готов да работи самостоятелно.

Преместване в Канада и нова работа

През есента на 1898 г. се проведе трансфер в Канада. Отначало учението на Ръдърфорд не вървеше много добре: студентите не харесаха лекцията, която младият професор, който все още не се беше научил да чувства напълно публиката, насищал подробностите. В научната работа имаше и някои трудности поради факта, че пристигането на радиоактивни препарати, поръчано от Ръдърфорд, беше забавено. Всички неравности обаче скоро се изгладиха, а за Ърнест започнаха редица успехи и успехи. Обаче едва ли е подходящо да се говори за успех: всичко е постигнато чрез упорита работа, включваща нови приятели и съмишленици.

Откриването на закона за радиоактивните трансформации

Около Ръдърфорд дори се създава атмосфера на творчески ентусиазъм и ентусиазъм. Работата беше радостна и напрегната, доведоха до голям успех. Ръдърфорд през 1899 г. открива еманацията на торий. Заедно с Соди през 1902-1903 г. той стига до общ закон, приложим към всички радиоактивни трансформации. Трябва да кажем малко повече за това важно научно събитие.

Учените от цял ​​свят твърдо са схванали, че е невъзможно да превърнат някои химически елементи в други, така че е необходимо да заровиш мечтите на алхимиците завинаги да извлечеш злато от олово. И сега имаше работа, в която се твърди, че в случай на радиоактивни разпадания, трансформациите на елементи не се появяват само, но те не могат да бъдат забавяни или спирани. Освен това са формулирани законите на тези трансформации. Днес разбираме, че зарядът на ядрото определя химичните свойства на елемента и неговото положение в периодичната система на Менделеев. Когато се понижат два единици заряд на ядрото, което се случва при алфа разпад, то "се движи" нагоре на 2 клетки в периодичната таблица. Една клетка надолу е изместена от електронно бета разпадане, а на клетката нагоре - с позитрона. Въпреки очевидността на този закон и очевидната му простота, това откритие беше едно от най-важните събития в науката от началото на 20 век.

Бракът с Мери Джорджин Нютон, раждането на дъщеря й

В същото време се случи важно събитие в личния живот на Ърнест. Пет години след ангажимента с Мери Джорджина Нютън, ученият Ърнест Ръдърфорд се ожени за нея, чиято биография вече бе отбелязана със значителни постижения по това време. Това момиче беше дъщеря на домакинята на пансиона в Крайстчърч, където някога е живял. През 1901 г., 30 март, се ражда единствената дъщеря в семейството на Ръдърфордс. Това събитие почти съвпадна във времето с раждането във физиката на нова глава - физиката на ядрото. И две години по-късно Ръдърфорд става член на Кралското дружество в Лондон.

Книгите на Ръдърфорд, експерименти върху транслуценцията на фолио от алфа частици

Ърнест създава две книги, в които обобщава резултатите от своите научни изследвания и постижения. Първата излезе под името "Радиоактивност" през 1904 г. "Радиоактивни трансформации" се появиха една година по-късно. Авторът на тези книги започва в този момент нови изследвания. Разбрал, че от атомите произлиза радиоактивно излъчване, но мястото на неговия произход остава абсолютно неясно. Необходимо е да се проучи структурата на ядрото. И тогава Ърнест се обърна към метода на предаване от алфа частици, с който започна работата си с Томсън. В експериментите проучихме как потокът от тези частици преминава през тънки листове фолио.

Първият атомен модел, предложен от Thomson

Първият модел на атома беше предложен, когато стана известно, че електроните са имали отрицателен заряд. Те обаче влизат в атоми, които обикновено са неутрални от електричество. Така че трябва да има нещо в състава му, което да носи положителна такса. За да разреши този проблем, Thomson предложи следния модел: атом е нещо като капка положително заредена, радиусът на който е сто милиона милиметра от сантиметър. Вътре има малки електрони с отрицателен заряд. Те са склонни да заемат позицията в самия център на атома под влияние на силите на Кулон, но ако нещо ги обезпокои, те се люлеят, придружени от радиация. Този модел обяснява съществуването на радиационни спектри - факт, който беше известен по онова време. От експериментите стана ясно, че в твърдите тела разстоянията между атомите са почти същите като техните размери. Следователно изглеждаше очевидно, че алфа частиците не могат да летят през фолиото, точно както камъкът не лети през гора, в която дърветата се приближават един до друг. Първите експерименти, извършени от Ръдърфорд, обаче са убедени, че това не е така. Повечето алфа частици, почти отклоняващи се, проникнали в фолиото и само в някои случаи имаше отклонение, понякога значително. Много се интересува от Ърнест Ръдърфорд. Интересни факти изискват допълнително проучване.

Планетен модел на Ръдърфорд

И тогава отново се появи интуицията на Ръдърфорд и способността на този учен да разбере езика на природата. Ърнест решително изостави предложения от Томсън модел на атома. Експериментите на Ръдърфорд доведоха до факта, че той предложи свой собствен, наречен планетарен. Според него в центъра на атома има ядро, в което е концентрирана цялата маса на даден атом, макар и да е твърде малка. И около ядрото, като планетите, които се въртят около слънцето, се движат електроните. Техните маси са значително по-малки от тези за алфа частици и затова последните практически не се отклоняват, когато проникват електронни облаци. И само когато алфа-частицата лети покрай ядрото, позитивно заредена, отблъскващата сила на Кулумб може да изкриви траекторията на своето движение. Това е теорията на Ръдърфорд. Без съмнение това беше голямо откритие.

Законите на електродинамиката и планетарния модел

Опитът на Ръдърфорд е достатъчен, за да убеди много учени за съществуването на планетарен модел. Оказа се обаче, че не е толкова недвусмислено. Формулата на "Ръдърфорд", която той е получил въз основа на този модел, съответства на данните, получени по време на експеримента. Въпреки това, тя отхвърли законите на електродинамиката!

Тези закони, които са установени основно от произведенията на Максуел и Фарадей, твърдят, че зарядът, ускоряващо се движи, излъчва електромагнитни вълни и губи енергия поради това. В атома на "Ръдърфорд" електронът се движи в полето на Култом на ядрото, ускорява се и според теорията на Максуел той трябва да загуби цялата си енергия на десетмилионна от секундата, след което да падне върху ядрото. Това обаче не се случи. Следователно формулата на Ръдърфорд опровергава теорията на Максуел. Ърнест знае за това, когато през 1907 г. е време да се завърне в Англия.

Преместване в Манчестър и получаване на Нобелова награда

Работата на Ърнест в университета Макгийл допринася за факта, че той стана много известен. Ръдърфорд започна да се опитва да покани на научните центрове в различни страни. Учен през пролетта на 1907 г. решава да напусне Канада и пристигна в Манчестър, в Университета на Виктория, където продължи обучението си. Заедно с H.Geygerom той създава през 1908 брояч алфа частиците - ново устройство, което играе важна роля за изясняване на това, че алфа-частици - хелиеви атоми е два пъти йонизирани. Ръдърфорд Ърнест, чиито открития са от голямо значение, през 1908 г. получава Нобеловата награда (в химия, а не във физиката!).

Сътрудничество с Нилс Бор

В същото време планетарният модел все повече и повече заемаше мислите си. И през март 1912 г. Ръдърфорд започва да си сътрудничи и да се сприятелява с Нилс Бор. Най-голямата заслуга на Бор (снимката му е представена по-долу) е, че той въвежда фундаментално нови функции в планетарния модел - идеята за кванти.

Той предложи "постулати", които на пръв поглед изглеждаха вътрешно противоречиви. Според него има орбити в атома. Електронът, който се движи по тях, не излъчва, противно на законите на електродинамиката, въпреки че има ускорение. Този учен посочи правилото, с което можете да намерите тези орбити. Той разбра, че квантите на радиация се появяват само когато електрона преминава от орбитата към орбитата. Модел на атома Ръдърфорд-Бора решава много проблеми и също така се превръща в пробив в света на нови идеи. Неговото откритие доведе до радикално преразглеждане на понятията материя, нейното движение.

Допълнителни обширни дейности

През 1919 г. Ръдърфорд става професор в университета в Кеймбридж, както и директор на лабораторията "Кавендиш". Десетки учения с право го смятат за учител, впоследствие и носител на Нобеловите награди. Това са J. Chadwick, G. Mosley, М. Oliphant, J. Cockroft, O. Gan, W. Geithler, Yu.B. Khariton, P.L. Капица, G. Gamow и други. Потокът на почести и награди стана по-богат. През 1914 г. Ръдърфорд получава благородството. Той става президент на Британската асоциация през 1923 г., а от 1925 до 1930 г. е президент на Кралското дружество. Титлата на барон Ърнест получава през 1931 г. и става господар. Въпреки все по-високия натиск, а не само научен, той продължава да атакува тайните на ядрото и атома.

Предлагаме ви един интересен факт, свързан с научната работа на Ръдърфорд. Известно е, че Ърнест Ръдърфорд, използвани следните критерии при избора на персонал: той даде човекът, който дойде при него за първи път, на работа, а ако нов служител след това се чудеше какво да прави по-нататък, той веднага бе уволнен.

Учените вече са започнали експерименти, които завършват с откриването на изкуствено разцепване на атомните ядра и изкуственото превръщане на химически елементи. През 1920 г. Ръдърфорд предсказва съществуването на деутерин и неутрон и през 1933 г. инициира и участва в експеримент, за да провери съществуващата взаимовръзка между енергията и масата в ядрените процеси. През 1932 г., през април, той подкрепя идеята за използване на протонни ускорители в изследването на ядрените реакции.

Смъртта на Ръдърфорд

Огромно влияние върху науката и технологиите върху живота на милиони хора имаха творбите на Ърнест Ръдърфорд и работата на учениците му от няколко поколения. Големият учен, разбира се, не можеше да помисли дали това влияние ще бъде положително. Той обаче беше оптимист, твърдо повярвал в науката и хората. Ърнест Ръдърфорд, чиято кратка биография описахме, умира през 1937 г. на 19 октомври. Той бил погребан в Уестминстърското абатство.