Вся наука — это либо физика, либо филателия.
Ernest Rutherford был британским физиком новозеландского происхождения, который стал известен как отец ядерной физики. По мнению Encyclopædia Britannica, он был величайшим экспериментатором со времен Michael Faraday.
В ранних работах Rutherford открыл концепцию радиоактивного периода полураспада, радиоактивный элемент радон и дифференцировал, а также назвал альфа- и бета-излучение. Эта работа была выполнена в McGill University в Montreal, Quebec, Canada. Она стала основанием для Нобелевской премии по химии, которую он получил в 1908 году «за исследования распада элементов и химии радиоактивных веществ», став первым канадским и австралийско-океанским лауреатом Нобелевской премии.
Rutherford переехал в 1907 году в Victoria University of Manchester, сегодня University of Manchester в Великобритании, где он и Thomas Royds доказали, что альфа-излучение — это ядра гелия. Rutherford выполнил свою самую известную работу после получения Нобелевской премии. В 1911 году, хотя он не мог доказать, положительный или отрицательный заряд, он выдвинул теорию о том, что атомы имеют концентрированный заряд в очень маленьком ядре, и тем самым создал модель атома Rutherford, благодаря своему открытию и интерпретации рассеяния Rutherford в эксперименте с золотой фольгой Hans Geiger и Ernest Marsden. Он провел первую искусственно вызванную ядерную реакцию в 1917 году в экспериментах, где ядра азота бомбардировались альфа-частицами. В результате он открыл излучение субатомной частицы, которую в 1919 году назвал «атомом водорода», но в 1920 году более точно назвал протоном.
Rutherford стал директором Cavendish Laboratory в University of Cambridge в 1919 году. Под его руководством нейтрон был открыт James Chadwick в 1932 году, и в том же году первый эксперимент по расщеплению ядра полностью контролируемым образом был проведен студентами, работающими под его руководством, John Cockcroft и Ernest Walton. После его смерти в 1937 году он был похоронен в Westminster Abbey рядом с Sir Isaac Newton. Химический элемент резерфордий, элемент 104, был назван в его честь в 1997 году.
Биография
Ранняя жизнь и образование
Ernest Rutherford был сыном James Rutherford, фермера, и его жены Martha Thompson, родом из Hornchurch, Essex, England. James эмигрировал в New Zealand из Perth, Scotland, «чтобы разводить лен и воспитывать много детей». Ernest родился в Brightwater, рядом с Nelson, New Zealand. Его первое имя было ошибочно написано как «Earnest» при регистрации его рождения. Мать Rutherford Martha Thompson была учительницей в школе.
Он учился в Havelock School, затем в Nelson College и получил стипендию для учебы в Canterbury College, University of New Zealand, где участвовал в дебатном обществе и играл в регби. После получения степеней BA, MA и BSc и двух лет исследований, во время которых он изобрел новую форму радиоприемника, в 1895 году Rutherford получил 1851 Research Fellowship от Royal Commission for the Exhibition of 1851 для поездки в England на последипломное обучение в Cavendish Laboratory, University of Cambridge. Он был одним из первых из «чужаков» — тех, кто не имел степени Cambridge и имел право проводить исследования в университете, под руководством J. J. Thomson, что вызвало ревность у более консервативных членов Cavendish fraternity. С поощрением Thomson ему удалось обнаружить радиоволны на расстоянии в полмили и он ненадолго установил мировой рекорд по расстоянию, на котором могли быть обнаружены электромагнитные волны, но когда он представил свои результаты на встречу British Association в 1896 году, он обнаружил, что его опередил Guglielmo Marconi, который также читал лекции.
В 1898 году Thomson рекомендовал Rutherford на должность в McGill University в Montreal, Canada. Он должен был заменить Hugh Longbourne Callendar, который занимал должность Macdonald Professor физики и переходил в Cambridge. Rutherford был принят, что означало, что в 1900 году он мог жениться на Mary Georgina Newton 1876–1954, на которой он был помолвлен еще до отъезда из New Zealand; они поженились в St Paul's Anglican Church, Papanui в Christchurch, у них была одна дочь, Eileen Mary 1901–1930, которая вышла замуж за физика Ralph Fowler. В 1901 году Rutherford получил степень DSc от University of New Zealand. В 1907 году он вернулся в Britain, чтобы занять должность профессора физики в Victoria University of Manchester.
Последние годы и почести
Rutherford был посвящен в рыцари в 1914 году. Во время Первой мировой войны он работал над высокосекретным проектом по решению практических проблем обнаружения подводных лодок с помощью сонара. В 1916 году ему была присуждена Hector Memorial Medal. В 1919 году он вернулся в Cavendish, став преемником J. J. Thomson в должности профессора Cavendish и директора. Под его руководством Нобелевские премии были присуждены James Chadwick за открытие нейтрона в 1932 году, John Cockcroft и Ernest Walton за эксперимент, который стал известен как расщепление атома с использованием ускорителя частиц, и Edward Appleton за демонстрацию существования ионосферы. В 1925 году Rutherford выступил с инициативой к правительству New Zealand поддержать образование и исследования, что привело к созданию Department of Scientific and Industrial Research DSIR в следующем году. Между 1925 и 1930 годами он служил президентом Royal Society, а позже президентом Academic Assistance Council, который помог почти 1000 беженцев-преподавателей из Germany. Он был назначен в Order of Merit в 1925 году на New Year Honours и возведен в ранг пэра как Baron Rutherford of Nelson, of Cambridge in the County of Cambridge в 1931 году, титул, который прекратился после его неожиданной смерти в 1937 году. В 1933 году Rutherford был одним из двух первых получателей T. K. Sidey Medal, учрежденной Royal Society of New Zealand в качестве награды за выдающиеся научные исследования.
Некоторое время перед смертью у Rutherford была небольшая грыжа, которую он пренебрегал исправить, и она стала ущемленной, вызвав сильное недомогание. Несмотря на экстренную операцию в London, он умер четыре дня спустя от того, что врачи назвали «параличом кишечника», в Cambridge. После кремации в Golders Green Crematorium ему была оказана высокая честь быть похороненным в Westminster Abbey рядом с Isaac Newton и другими выдающимися британскими учеными.
Научные исследования
В Cambridge Rutherford начал работать с J. J. Thomson над проводящими эффектами рентгеновских лучей на газы, работа, которая привела к открытию электрона, который Thomson представил миру в 1897 году. Узнав об опыте Becquerel с ураном, Rutherford начал изучать его радиоактивность, открыв два типа, которые отличались от рентгеновских лучей по своей проникающей способности. Продолжая свои исследования в Canada, он ввел термины альфа-луч и бета-луч в 1899 году для описания двух различных типов излучения. Затем он обнаружил, что торий выделял газ, который производил эманацию, сама по себе радиоактивную и способную покрывать другие вещества. Он обнаружил, что образец этого радиоактивного материала любого размера неизменно требовал одного и того же времени для распада половины образца – его «периода полураспада» в этом случае 11½ минут.
С 1900 по 1903 год к нему в McGill присоединился молодой химик Frederick Soddy, лауреат Нобелевской премии по химии 1921 года, для которого он поставил задачу определить эманации тория. После того как он исключил все нормальные химические реакции, Soddy предположил, что это должен быть один из инертных газов, который они назвали торон, позже обнаруженный как изотоп радона. Они также обнаружили другой тип тория, который они назвали Thorium X, и продолжали находить следы гелия. Они также работали с образцами «Uranium X» от William Crookes и радия от Marie Curie.
В 1903 году они опубликовали свой «Закон радиоактивного изменения» для объяснения всех их экспериментов. До этого времени атомы считались неразрушимой основой всей материи, и хотя Curie предположила, что радиоактивность является атомным явлением, идея распада атомов радиоактивных веществ была радикально новой идеей. Rutherford и Soddy продемонстрировали, что радиоактивность включает спонтанное распад атомов на другие, еще не идентифицированные вещества. Нобелевская премия по химии 1908 года была присуждена Ernest Rutherford «за исследования распада элементов и химии радиоактивных веществ».
В 1903 году Rutherford рассмотрел тип излучения, открытый, но не названный французским химиком Paul Villard в 1900 году, как эманацию из радия, и понял, что это наблюдение должно представлять что-то отличное от его собственных альфа- и бета-лучей, благодаря его гораздо большей проникающей способности. Rutherford поэтому дал этому третьему типу излучения название гамма-луч. Все три термина Rutherford находятся в стандартном использовании сегодня – с тех пор были открыты другие типы радиоактивного распада, но три типа Rutherford являются одними из наиболее распространенных.
В 1904 году Rutherford предположил, что радиоактивность обеспечивает источник энергии, достаточный для объяснения существования Sun в течение многих миллионов лет, необходимых для медленной биологической эволюции на Earth, предложенной биологами такими как Charles Darwin. Физик Lord Kelvin ранее выступал за гораздо более молодую Earth см. также William Thomson, 1st Baron Kelvin#Age of the Earth: geology based on the insufficiency of known energy sources, но Rutherford указал на лекции, посещаемой Kelvin, что радиоактивность могла решить эту проблему.
В Manchester он продолжал работать с альфа-излучением. В сотрудничестве с Hans Geiger он разработал экраны сцинтилляции сульфида цинка и ионизационные камеры для подсчета альфа-частиц. Разделив общий заряд, который они производили, на количество подсчитанных, Rutherford решил, что заряд на альфа-частице равен двум. В конце 1907 года Ernest Rutherford и Thomas Royds позволили альфа-частицам проникать через очень тонкое окно в эвакуированную трубку. Когда они зажигали трубку в разряд, полученный спектр изменился, когда альфа-частицы накапливались в трубке. В конце концов появился четкий спектр гелиевого газа, доказывая, что альфа-частицы были по крайней мере ионизированными атомами гелия, и вероятно, ядрами гелия.
Давний миф существовал, по крайней мере, с 1948 года, проходящий как минимум до 2017 года, что Rutherford был первым ученым, который наблюдал и сообщил об искусственной трансмутации стабильного элемента в другой элемент: азота в кислород. Многие люди считали, что это одно из величайших достижений Rutherford. Правительство New Zealand даже выпустило памятную марку в убеждении, что открытие превращения азота в кислород принадлежит Rutherford. Начиная с 2017 года, многие научные учреждения исправили свои версии этой истории, чтобы указать, что кредит открытия реакции принадлежит Patrick Blackett. Rutherford действительно обнаружил выброшенный протон в 1919 году и интерпретировал его как свидетельство распада ядра азота на более легкие ядра. В 1925 году Blackett показал, что фактический продукт — кислород и определил истинную реакцию как 14N + α → 17O + p. Rutherford поэтому признал «что ядро может увеличиваться, а не уменьшаться в массе в результате столкновений, в которых протон выбрасывается».
Эксперимент с золотой фольгой
Rutherford выполнил свою самую известную работу после получения Нобелевской премии в 1908 году. Вместе с Hans Geiger и Ernest Marsden в 1909 году он провел эксперимент Geiger–Marsden, который продемонстрировал ядерную природу атомов, отклоняя альфа-частицы, проходящие через тонкую золотую фольгу. Rutherford был вдохновлен попросить Geiger и Marsden в этом эксперименте искать альфа-частицы с очень большими углами отклонения, типа, который не ожидался ни одной теорией материи в то время. Такие отклонения, хотя и редкие, были найдены, и оказались плавной, но высокомерной функцией угла отклонения. Именно интерпретация Rutherford этих данных привела его к формулированию модели атома Rutherford в 1911 году — что очень маленькое заряженное ядро, содержащее большую часть массы атома, вращалось низкомассовыми электронами.
В 1919–1920 годах Rutherford обнаружил, что азот и другие легкие элементы выбрасывали протон, который он назвал «атомом водорода», при попадании альфа-частиц. Этот результат показал Rutherford, что ядра водорода были частью ядер азота и по аналогии, вероятно, других ядер также. Такая конструкция подозревалась в течение многих лет на основе атомных весов, которые были целыми числами водорода; см. гипотезу Prout. Водород был известен как самый легкий элемент, и его ядра предположительно самые легкие ядра. Теперь, из-за всех этих соображений, Rutherford решил, что ядро водорода, возможно, было основным строительным блоком всех ядер, а также возможно новой фундаментальной частицей, поскольку из ядра ничего не было известно, что было бы легче. Таким образом, подтверждая и расширяя работу Wilhelm Wien, который в 1898 году открыл
