Эрнест Резерфорд - биография физика Нобелевского лауреата

Эрнест Резерфорд — выдающийся ученый-физик, имеющий новозеландские корни, именуемый отцом ядерной физики. Обладатель Нобелевской премии, звание рыцаря-бакалавра, а также титул английского барона.

Лорд Эрнест Резерфорд — ученый мирового уровня, чьи заслуги перед наукой равнозначны достижениям Эйнштейна, Планка и Бора. В 2021 году исполнилось 150 лет со дня рождения этого исследователя: прекрасный повод вспомнить, как этому мальчику с берегов пролива Кука удалось заглянуть в самое сердце атома и заработать Нобелевскую премию.

О достижениях Резерфорда знает каждый школьник. Учебники описывают его эксперименты по изучению строения атома, заложившие основы для развития ядерной физики. Благодаря исследованиям этого ученого человечество получило ядерное оружие и атомные станции, а также узнало о возможностях Большого адронного коллайдера.

Содержание

Детство и юность

30 августа 1871 года в селе Спринг Гроув на севере Южного острова Новой Зеландии появился на свет один из самых великих умов человечества. Его родители — колесный мастер Джеймс Резерфорд и школьная учительница Марта, простые фермеры, приехали в Новую Зеландию из Англии, хотя изначально планировали поселиться в Канаде, но бесплатные билеты на корабль удалось получить только до Новой Зеландии.

Эрнест Резерфорд

Здесь переселенцы осели, завели детей и заинтересовались фермерским делом. У них родилось двенадцать детей, четвертым из которых был Эрнест. Мальчик рос сильным, с хорошей памятью и умением учиться.

Позже семья Резерфордов переехала на Северный остров и поселилась в селении Пунгареху провинции Таранаки. Решение о переезде принял отец, узнав о плодородной почве, подходящей для выращивания льна. Это была дикая местность, которую местные маори называли Рыбой Мауи. Для маленького Эрнеста солнечные холмы и безграничные болота стали настоящими родными местами.

В этом уголке Пунгареха, Резерфорд успешно закончил местную школу и был вознагражден за свои успехи. В университете Нельсона он также проявил себя как один из лучших студентов и получил стипендию для поступления в университет Крайстчерча. Первоначально молодой человек не мог определиться с выбором специальности — его равно привлекали физика и математика. Профессор физики Биккертон сумел заинтересовать студента своим предметом, показав, как много еще неизведанного остается в этой науке.

Ум профессора поражал Эрнеста своей пытливостью, безграничной жаждой знаний и отвагой в экспериментах. Он сам выбирал темы исследований, разрабатывал планы проведения опытов, изготавливал приборы для записи результатов. Из лаборатории молодого ученого было просто невозможно вытянуть.

В 1892 году Резерфорд завершил свою магистерскую диссертацию с заглавием «Воздействие высокочастотных разрядов на магнитные свойства железа». В этом исследовании была проведена работа с радиоволнами, которые в то время были предметом активного изучения научным сообществом. Такие знаменитости, как Гульельмо Маркони и Александр Попов, также занимались проблемой улавливания радиоволн и разработкой безпроводных методов связи.

Молодой ученый, занимавшийся исследовательской деятельностью, придумал магнитный детектор, который впоследствии стал прототипом современного электромагнитного приемника. Конечно, нельзя назвать его создателем радио, так как Маркони и Попов достигли больших успехов в этом направлении. Тем не менее, этот значительный научный труд принес Эрнесту первое признание и стипендию на обучение в Кембриджском университете. Покидая родной Северный остров, молодой человек оставил здесь частичку своего сердца – будущую жену Мэри и любимую маму.

Новость о присужденной стипендии застала молодого ученого за выкопкой картошки на отцовской ферме. По воспоминаниям матери, сын швырнул лопату и радостно воскликнул: «Это была последняя картофелина, которую я выкопал!».

Многие аспекты биографии ученого уцелели благодаря его матери. Она была не только его родственницей, но и близким другом. Именно она стала первым учителем своего сына, открыв ему удивительный мир науки. Взрослую жизнь проведш исследователь вдали от дома, но всегда поддерживал переписку с любимой мамой.

В 1931 году 60-летний ученый и нобелевский лауреат был удостоен титулов баронета и лорда. Первая телеграмма, отправленная Марте Резерфорд, содержала следующее: «Таким образом, я лорд Резерфорд. Это твоя заслуга, а не моя. Люблю, Эрнест».

В XIX веке физика переживала период значительного прогресса: термодинамика, закон сохранения энергии и электромагнетизм стали известными миру. Все чаще возникало мнение, что скоро научные знания достигнут своего предела, поскольку человечество уже открыло все возможное.

Этот взгляд категорически не разделял молодой, амбициозный ученый из далекой Новой Зеландии. Приехав в Англию, он приложил все усилия, чтобы попасть в Кавендишскую лабораторию и начать свои исследования. Эрнест стал одним из первых иностранных аспирантов, которым было разрешено работать под руководством Джона Джозефа Томсона.

Новый структурный объект в Кембридже был Лабораторией Кавендиша, которая привлекала внимание своими смелыми научными исследованиями. Например, здесь проводились эксперименты по проведению электрического тока через газовую среду, за которые Джон Томсон был удостоен Нобелевской премии в 1906 году.

Эрнест мечтал продолжить свои исследования с детектором волн, но его опередил Маркони, получивший грант от британского министерства почты в 1896 году. Резерфорду оставалось только изменить направление своей работы. Он и его научный руководитель начали изучать рентгеновские лучи, которые вызывали интерес ученых по всему миру. Молодой физик забыл о радиоволнах навсегда, не из-за оскорбленного самолюбия, а из-за угасшего любопытства; он решил изучать новые явления и стал ассистентом Томсона в его исследованиях по ионизации газов.

Исследование Х-лучей, открытых мюнхенским физиком Вильгельмом Рентгеном, привлекло внимание многих ученых по всему миру. Во Франции этим занялся Анри Беккерель, в Великобритании — Джозеф Томсон и его коллеги. В 1896 году докторант лаборатории Кавендиша Эрнест Резерфорд начал первые опыты по пропусканию рентгеновских лучей через баллоны, наполненные газом.

Тот же самый год, Анри Беккерель объявил, что урано-калиевая соль вызывает засвечивание фотографической пластинки. Это явление позже получит название радиоактивности и будет глубоко изучено, хотя в то время оно было практически незнакомо. Кому-то предстояло заняться этим вопросом.

Для ученых уран оставался истинной загадкой: им долго не удавалось понять, как этот элемент излучает рентгеновские лучи, и почему это происходит постоянно и с одинаковой интенсивностью. Несмотря на все эксперименты, проведенные с ураном – его нагревание, охлаждение, пропускание через него электрического тока – он продолжал испускать загадочные лучи.

Непосредственно перед этим Резерфорд и Томпсон совершили важное открытие: облучая газ, они сделали его электрически проводящим. Эта работа стала значимым шагом в изучении структуры атома. Статью «О прохождении электричества через газы, подвергнутые воздействию рентгеновских лучей» в 1896 году опубликовало лондонское научное издательство «Philosophical Magazine».

Во время изучения проводимости газов, Томсон провел измерения массы положительно и отрицательно заряженных частиц. Оказалось, что масса отрицательных частиц в тысячу раз меньше массы самого легкого атома, что привело к его удивлению.

В 20-м веке ученые смогли установить, что электрон весит меньше протона в более чем 1800 раз. В лаборатории Кавендиша они были названы «корпускулы», так как они несут отрицательный заряд. Томсон представил свой доклад по этой теме в апреле 1897 года, но изначально его слова не восприняли всерьез. Научное сообщество отнеслось скептически к идее, что частица может иметь меньшую массу, чем атом.

Эрнест Резерфорд, ученик Томсона, продолжил исследования по урановой радиации и её влиянию на электропроводимость. В 1898 году он вновь открыл урановое излучение и провел глубокие исследования альфа- и бета-частиц. Ученый поместил излучающие вещества в центр магнитного поля и обнаружил, что один поток направляется вправо, другой – влево, а третий остается на месте. Результаты своей работы по этой теме Эрнест опубликовал в 1899 году. Его исследования стали значимым вехой в науке и приблизили открытие теории строения вещества. Кроме того, он дал определения положительно заряженным частицам – альфа-излучение, а отрицательно заряженным – бета.

Весной 1898 года Мария Кюри опубликовала статью с заголовком «О лучах, испускаемых соединениями тория и урана». Молодой 27-летний Резерфорд с огромным энтузиазмом принял вызов и присоединился к научному соревнованию.

Поиск причин и природы радиоактивности

Совсем скоро Эрнест получил почетную должность профессора и щедрую заработную плату. Теперь ученому появилась возможность наконец-то устроить личную жизнь и вступить в брак с возлюбленной Мэри Ньютон. Кафедра, которую он возглавил, находилась в университете Макгилла в Канаде, поэтому профессору пришлось переехать на другой конец мира. За несколько лет труда Резерфорд превратил Монреаль в важнейший мировой центр изучения физики.

Эрнест никогда не считал себя замечательным лектором, зато как руководитель и исследователь он был на высоте. В конце 19-го века он опубликовал совместную работу с Оуэнсом под названием «Радиация урана и тория», в которой рассматривались вопросы радиоактивности урана и тория.

Также в это время он занимался изучением «эманации тория» и открыл «возбужденную радиоактивность» этого элемента. Эрнест был полон энергии: его голос разносился по всему университетскому корпусу. Все вокруг считали ученого таким же радиоактивным, как его открытия. Позже выяснилось, что после тысяч экспериментов Резерфорд действительно излучал радиоактивность. Его лаборатория в университете Монреаля до сих пор вызывает реакцию в геигеровском счетчике.

В 1900 году, переехав на новое место жительства, Эрнест привез сюда свою будущую жену Мэри Ньютон. После года совместной жизни у них родилась дочь по имени Эйлин.

В то же время научная работа продолжалась и во Франции: Пьер и Мария Кюри объявили о своем открытии радия и полония. Эта ученая пара обнаружила период ослабления радиоактивного излучения: более 600 минут для возбужденного излучения, 1 минуту для периода эманации.

Резерфорд очень хорошо понимал, что ему очень нужен радиохимик для продолжения научной работы, но в те годы такого специалиста было сложно найти. Тем не менее, профессору улыбнулась удача: в Канаду прибыл молодой химик Фредерик Содди из Оксфорда, который в дальнейшем получил Нобелевскую премию. Вместе с новым коллегой в 1902 году Резерфорд опубликовал исследовательскую работу «Радиоактивность соединений тория». Эта работа приблизила человечество к пониманию модели атома.

Таким образом было раскрыто естественное преобразование элементов, что позволило ученым установить причину образования сверхновых веществ. Этот вклад оказался значительным для понимания структуры мира. В это же время муж и жена Кюри и Беккерель стали лауреатами Нобелевской премии за открытие новых элементов — полония и радия.

В 1903 году Эрнест Резерфорд стал членом Лондонской королевской академии, а его коллега из Франции, Мария Кюри, была удостоена докторской степени. Когда он встретил ученую даму на торжественном мероприятии, Резерфорд заметил сильное воспаление на ее руках. Да, это было следствие воздействия радиации, но разве могла лучевая болезнь испугать таких увлеченных исследователей? Если бы кто-то подумал принести к столу Резерфорда, Кюри и Беккереля счетчик Гейгера, окружающие были бы поражены звуком треска.

Манчестерский университет

Через четыре года после этого профессор Уровенька покинул Канаду и принял должность заведующего отделением физики в университете в Манчестере. В 1908 году 37-летний Эрнест был удостоен Нобелевской премии за значительный вклад в изучение химии радиоактивных веществ и процессов распада элементов. Его скромная жизнь на зарплату профессора стала прошлым: ученый достиг признания и богатства. Наконец-то Резерфорд смог обеспечить своей семье достойное существование. Вместе с ним вручение премии получили Илья Мечников, Пауль Эрлих и Габриэль Липпман.

Во время работы в Манчестере, исследователь познакомился с Гейгером, который впоследствии стал соавтором некоторых его статей. В тоже время один из последователей ученого проводил эксперименты с облучением тонкого листа золота альфа-частицами. В результате опытов было обнаружено, что некоторые альфа-частицы отклоняются от их траектории и, столкнувшись с неизвестной силой, отскакивают назад.

В результате было выяснено, что только часть альфа-частиц меняет направление. Это открытие привело к полному пониманию устройства атома. Зимой 1911 года Резерфорд созвал своих учеников к себе домой, чтобы поделиться с ними важной информацией. Даже сегодня сохраняется рисунок ученого: в середине круга находится мощная точка с символом «+» — ядро атома, обладающее положительным зарядом. Вокруг центра и до границы круга доктор нарисовал множество знаков «-», представляющих отрицательно заряженные частицы. Таким наброском Эрнест познакомил своих последователей со своей концепцией строения атома, которая впоследствии стала важным прорывом в науке. Этот день навсегда запомнили студенты физического факультета. Весной 1911 года ученые по всему миру узнали о новом открытии благодаря статье, опубликованной в научном журнале «Philosophical magazine» под названием «Рассеяние альфа- и бета-частиц в веществе и структура атома».

Великолепные достижения профессора привели к быстрым изменениям в мире. Летом того же года в Брюсселе прошло собрание ученых, на котором основным вопросом стало «излучение и кванты». В это время к Эрнесту пришел Нильс Бор, чтобы стать его учеником. Будущий создатель неклассической модели атома стал близким другом семьи Резерфордов. Позже Бор разработал «сырую» планетарную модель атома, основанную на идеях своего учителя. Работа молодого ученого «О конституции атомов и молекул» была опубликована в 1913 году и стала одной из важнейших работ в изучении микромира.

В том же году ученик профессора, Генри Мозли, провел серию научных экспериментов, подтверждающих теорию «Заряд ядра равен номеру элемента в таблице Менделеева». По результатам исследования его наставник опубликовал статью в журнале «Nature», в которой сообщил, что его аспиранту удалось найти убедительное доказательство равенства числа электронов в атоме табличному атомному номеру. Благодаря этим успехам, через год мистер Резерфорд был удостоен звания английского лорда и рыцаря.

После войны

В начале войны семья Резерфордов переехала в Новую Зеландию. Когда профессор вернулся, он обнаружил пустую лабораторию — всех аспирантов призвали на фронт. Не все вернулись к научной работе: один из самых талантливых учеников Эрнеста Генри Мозли погиб в боях под Дарданеллой.

Исследовательская деятельность профессора и его команды возобновилась в 1920-х годах. Почти сразу после войны в лабораторию прибыл молодой идеи полный российский физик Петр Капица.

Известно, что именно Капица дал Резерфорду шутливое прозвище «Крокодил». Скорее всего, Петр имел в виду громогласный, решительный образ своего учителя, напоминающий ему страшного зверя из сказки.

В 1933 году Петр Капица основал свою собственную лабораторию в Кембридже. Во время открытия лаборатории гости увидели огромного крокодила, высеченного на торцевой стене двухэтажного здания. Очевидно, это был портрет великого ученого.

Личная жизнь

Ученый познакомился со своей будущей женой Мэри Ньютон еще в своей молодости, когда они оба были владельцами пансиона в городке Крайстчерч на Новой Зеландии. Однако из-за работы в Канаде они поженились только спустя пять лет после их помолвки.

Из сохранившихся документов о супругах можно сделать вывод, что их семейная жизнь была полна счастья. В браке у них появилась единственная наследница — дочь по имени Эйлин.

Смерть

Сельский сын Резерфорд внес вклад в мировую науку, не уступающий достижениям Эйнштейна и Бора. Когда оказалось, что ученый страдает пупочной грыжей, его лечение взялись осуществить самые знаменитые врачи. Медицинское сообщество долго не могло решить, какому хирургу доверить операцию на гениального профессора, особенно такого высокого ранга, как английский лорд.

Однако решение необходимо было принять как можно скорее – состояние больного быстро ухудшалось. Медики, опасаясь ответственности, сильно задержались и не провели операцию вовремя. В результате 19 октября 1937 года Эрнест Резерфорд умер, оставив после себя значительное наследие в виде важнейших научных открытий.

Ученый был захоронен в могиле при Вестминстерском аббатстве. Его изображения и фотографии теперь используются практически в каждом техническом университете и в учебных пособиях.