Радэрфорд Эрнэст: біяграфія, досведы, адкрыцця

Радэрфорд Эрнэст (гады жыцця: 1871/08/30 - 1937/10/19) - англійская фізік, стваральнік планетарнай мадэлі атама, заснавальнік ядзернай фізікі. Ён быў членам Лонданскага Каралеўскага таварыства, а з 1925 па 1930 год - і яго прэзідэнтам. Гэты чалавек - уладальнік Нобелеўскай прэміі па хіміі, якую ён атрымаў у 1908 годзе.

Будучы вучоны нарадзіўся ў сям'і Джэймса Рэзерфорда, колавага майстры, і Марты Томпсан, настаўніцы. Акрамя яго, у сям'і было 5 дачок і 6 сыноў.

Навучанне і першыя ўзнагароды

Да таго як у 1889 г. сям'я перасялілася з Паўднёвага вострава Новай Зеландыі ў Паўночны, Радэрфорд Эрнэст навучаўся ў г. Крайстчэрчы, у Кентэрберыйскім каледжы. Ужо ў гэты час выявіліся бліскучыя здольнасці будучага навукоўца. Пасля заканчэння 4 курса Эрнэст быў ганараваны ўзнагароды за лепшую работу ў галіне матэматыкі, а таксама заняў 1-е месца на магістарскіх іспытах па фізіцы і па матэматыцы.

Вынаходніцтва магнітнага дэтэктара

Стаўшы магістрам мастацтваў, Радэрфорд доля не пакінула сям'і каледжа. Ён пагрузіўся ў самастойную навуковую працу па магнетизации жалеза. Ім быў распрацаваны і выраблены спецыяльны прыбор - магнітны дэтэктар, які стаў адным з першых у свеце прымачоў электрамагнітных хваляў, а таксама "уваходным квітком" Рэзерфорда ў вялікую навуку. У яго жыцці неўзабаве адбылася важная змена.

Радэрфорд адпраўляецца ў Англію

Самым адораным маладым падданым ангельскай кароны з Новай Зеландыі прадастаўлялася раз у два гады стыпендыя ім. Сусветнай выставы 1851 года, якая давала магчымасць адправіцца ў Англію для вывучэння навук. У 1895 годзе вырашана было, што два новозеландца вартыя такога гонару - фізік Радэрфорд і хімік Маклорена. Аднак месца было толькі адно, і надзеі Эрнэста паваліліся. На шчасце, Маклорена змушаны быў па сямейных абставінах адмовіцца ад гэтай паездкі, і Радэрфорд Эрнэст восенню 1895 года прыбыў у Англію. Тут ён пачаў працу ў Кембрыджскім універсітэце (у Кавендишевской лабараторыі) і стаў першым дактарант Дж. Томсана, яе дырэктара (на фота ніжэй).

Вывучэнне прамянёў бекерэляў

Томсан да таго часу ўжо быў вядомым вучоным, адным з членаў паважанага ўсімі Лонданскага каралеўскага грамадства. Здольнасці Рэзерфорда ён ацаніў хутка і прыцягнуў яго да працы па вывучэнні іянізацыі газаў пад уплывам рэнтгенаўскіх прамянёў, якую ён праводзіў. Аднак ужо ў 1898 годзе, летам, Эрнэст робіць свае першыя крокі ў іншай вобласці даследавання. Яго зацікавілі "прамяні бекерэляў". Выпраменьванне уранавай солі, адкрытае Бекерэлем, фізікам з Францыі, пазней стала вядома як радыёактыўнае. Французскі навуковец, а таксама муж і жонка Кюры, актыўна займаліся яго даследаваннем. У 1898 годзе ў працу ўключыўся і Радэрфорд Эрнэст. Гэты вучоны выявіў, што ў дадзеныя прамяні ўваходзяць патокі ядраў гелія, станоўча зараджаных (альфа-часціц), а таксама патокі электронаў (бэта-часціц).

Далейшае вывучэнне прамянёў ўрану

У Парыжскую акадэмію навук 18 ліпеня 1898 года была прадстаўленая праца мужа і жонкі Кюры, якая выклікала вялікую цікавасць Рэзерфорда. У ёй аўтары паказвалі, што акрамя ўрану ёсць і іншыя радыёактыўныя (дадзены тэрмін быў выкарыстаны ўпершыню менавіта тады) элементы. Радэрфорд пазней увёў паняцце аб перыядзе паўраспаду - адным з галоўных адметных прыкмет гэтых элементаў.

Эрнэст ў снежні 1897 годзе працягнулі выставачную стыпендыю. Навуковец атрымаў магчымасць далейшага даследавання прамянёў ўрану. Аднак у красавіку 1898 гады ў Манрэалі вызвалілася месца прафесара мясцовага Мак-Гиллского універсітэта, і Эрнэст вырашыў адправіцца ў Канаду. Прайшла пара вучнёўства. Усім было ясна, што Радэрфорд ужо гатовы працаваць самастойна.

Пераезд у Канаду і новая праца

Увосень 1898 года адбыўся пераезд у Канаду. На першым часе выкладанне Рэзерфорда ішло не вельмі-то паспяхова: студэнтам прыйшліся не да спадобы лекцыі, якія малады прафесар, яшчэ не які навучыўся цалкам адчуваць аўдыторыю, перанасычаць дэталямі. У навуковай рабоце таксама паўсталі некаторыя цяжкасці з-за таго, што прыбыццё замоўленых Резерфордом радыеактыўных прэпаратаў затрымлівалася. Аднак усе шурпатасці неўзабаве згладзіліся, і для Эрнэста пачалася паласа удач і поспехаў. Зрэшты, наўрад ці да месца казаць пра ўдачах: усе дасягалася нялёгкай працай, у які уключаліся яго новыя сябры і аднадумцы.

Адкрыццё закона радыеактыўных ператварэнняў

Вакол Рэзерфорда ўжо тады сфармавалася атмасфера творчага энтузіязму і захопленасці. Праца быў радасным і напружаным, ён прыводзіў да вялікім поспехам. Радэрфорд ў 1899 годзе адкрыў эманацыю торыя. Сумесна з Содди ў 1902-1903 гадах ён прыйшоў ужо да агульнага закону, прыдатныя да ўсіх радыеактыўным перамяніцца. Варта сказаць некалькі падрабязней аб гэтым важным навуковым падзеі.

Навукоўцы ўсяго свету цвёрда засвоілі ў той час, што немагчыма ператварыць адны хімічныя элементы ў іншыя, таму варта навекі пахаваць мары алхімікаў здабываць з свінцу золата. І вось з'явілася праца, у якой сцвярджалася, што пры радыеактыўных распаду ператварэння элементаў не толькі адбываюцца, але іх немагчыма ні запаволіць, ні спыніць. Больш за тое, былі сфармуляваны законы гэтых ператварэнняў. Сёння мы разумеем, што менавіта зарадам ядра вызначаюцца хімічныя ўласцівасці элемента і яго становішча ў перыядычнай сістэме Мендзялеева. Калі на дзве адзінкі памяншаецца зарад ядра, што адбываецца пры альфа-распадзе, ён "перамяшчаецца" уверх на 2 клеткі ў табліцы Мендзялеева. На адну клетку ўніз ён ссоўваецца пры электронным бэта-распадзе, а на клетку уверх - пры пазітронна. Нягледзячы на відавочнасць гэтага закона і яго ўяўную прастату, гэта адкрыццё было адным з самых важных падзей у навуцы пачатку 20 стагоддзя.

Жаніцьба на Мэры Джарджына Ньютан, нараджэнне дачкі

У гэты ж час адбылася важная падзея ў асабістым жыцці Эрнэста. Праз 5 гадоў пасля змовін з Мэры Джарджына Ньютан ажаніўся на ёй вучоны Эрнэст Радэрфорд, біяграфія якога да гэтага часу ўжо была адзначана значнымі дасягненнямі. Гэтая дзяўчына была дачкой гаспадыні пансіёну ў Крайстчэрчы, дзе ён калісьці жыў. У 1901 годзе, 30 сакавіка, з'явілася на свет адзіная дачка ў сямействе Рэзерфорда. Гэта падзея практычна супала па часе з нараджэннем ў фізічнай навуцы новай кіраўніка - фізікі ядра. А праз 2 гады Радэрфорд стаў членам Лонданскага каралеўскага грамадства.

Кнігі Рэзерфорда, досведы па прасвечвання фальгі альфа-часціцамі

Эрнэст стварыў 2 кнігі, у якіх абагульніў вынікі сваіх навуковых пошукаў і дасягненняў. Першая выйшла пад назвай "Радыёактыўнасць" ў 1904 годзе. "Радыёактыўныя ператварэння" з'явілася праз год. Аўтар гэтых кніг пачынаў у гэты час новыя даследаванні. Ён зразумеў, што менавіта з атамаў зыходзіць радыёактыўнае выпраменьванне, аднак абсалютна незразумелым заставалася месца яго ўзнікнення. Вынікала вывучыць будову ядра. І тады Эрнэст звярнуўся да методыкі прасвечвання альфа-часціцамі, з якой ён пачынаў сваю працу ў Томсана. У досведах вывучалася, як паток гэтых часціц праходзіць праз тонкія лісточкі фальгі.

Першая мадэль атама, прапанаваная Томсанам

Была прапанавана першая мадэль атама, калі стала вядома аб тым, што ў электронаў адмоўны зарад. Аднак яны ўваходзяць у атамы, якія з'яўляюцца ў цэлым электранейтральна. Значыць у яго складзе павінна быць нешта, што носіць станоўчы зарад. Для вырашэння гэтай праблемы Томсан прапанаваў наступную мадэль: атам - гэта нешта накшталт кроплі, станоўча зараджанай, радыус якой складае стомільённы долю сантыметра. Ўнутры яе маюцца маленечкія электроны з адмоўным зарадам. Яны імкнуцца пад дзеяннем кулонаўскімі сіл заняць становішча ў самым цэнтры атама, аднак калі іх што-небудзь выведзе з раўнавагі, яны здзяйсняюць ваганні, якія суправаджаюцца выпраменьваннем. Гэтая мадэль тлумачыла існаванне спектраў выпраменьвання - факт, пра які было вядома ў той час. З досведаў ўжо стала ясна, што ў цвёрдых целах адлегласці паміж атамамі прыкладна такія ж, як і іх памеры. Здавалася відавочным таму, што альфа-часціцы не могуць праляцець скрозь фальгу, гэтак жа як камень ня праляціць праз лес, у якім дрэвы растуць практычна ўшчыльную адзін да аднаго. Аднак першыя ж дасканалыя Резерфордом досведы пераконвалі ў тым, што гэта не так. Большасць альфа-часціц, амаль не адхіляючыся, прасвечвала фальгу, і толькі ў некаторых назіралася адхіленне, часам істотнае. Гэтым вельмі зацікавіўся Эрнэст Радэрфорд. Цікавыя факты патрабавалі далейшага вывучэння.

Планетарная мадэль Рэзерфорда

І тады зноў праявілася інтуіцыя Рэзерфорда і ўменне гэтага вучонага разумець мову прыроды. Эрнэст рашуча адмовіўся ад прапанаванай Томсанам мадэлі атама. Досведы Рэзерфорда прывялі да таго, што ён высунуў сваю, якая атрымала назву планетарнай. Згодна з ёй, у цэнтры атама знаходзіцца ядро, у якім засяроджаная ўся маса дадзенага атама, нягледзячы на яго даволі малыя памеры. А вакол ядра, падобна планет, верціцца вакол Сонца, рухаюцца электроны. Масы іх істотна менш, чым у альфа-часціц, і менавіта таму апошнія практычна не адхіляюцца, калі праймаюць электронныя аблокі. І толькі калі блізка ад ядра, станоўча зараджанага, пралятае альфа-часціца, кулонаўскімі сіла адштурхвання здольная рэзка скрывіла траекторыю яе руху. Такая тэорыя Рэзерфорда. Безумоўна, гэта было вялікае адкрыццё.

Законы электрадынамікі і планетарная мадэль

Вопыту Рэзерфорда было дастаткова для таго, каб пераканаць многіх навукоўцаў у існаванні планетарнай мадэлі. Аднак высветлілася, што яна не так адназначная. Формула Рэзерфорда, якую ён вывеў з апорай на гэтую мадэль, ўзгаднялася з дадзенымі, атрыманымі ў ходзе эксперыменту. Аднак яна абвяргала законы электрадынамікі!

Законы гэтыя, якія былі ўсталяваныя ў асноўным працамі Максвелла і Фарадея, сцвярджаюць, што зарад, паскорана рухаецца, выпраменьвае электрамагнітныя хвалі і губляе з-за гэтага энергію. У атаме Рэзерфорда электрон рухаецца ў кулонаўскімі поле ядра паскорана і, паводле тэорыі Максвелла, ён павінен страціць усю энергію за дзесяцімільённая долю секунды, пасля чаго зваліцца на ядро. Аднак гэтага не адбывалася. Такім чынам, формула Рэзерфорда абвяргала тэорыю Максвелла. Эрнэст ведаў пра гэта, калі ў 1907 годзе настаў час вяртацца ў Англію.

Пераезд у Манчэстэр і атрыманне Нобелеўскай прэміі

Работы Эрнэста ў Мак-Гильском універсітэце спрыялі таму, што ён стаў вельмі вядомым. Рэзерфорда сталі наперабой запрашаць у навуковыя цэнтры розных краін. Вучоны вясной 1907 году паэт вырашыў пакінуць Канаду і прыбыў у Манчэстар, ва ўніверсітэт Вікторыі, дзе працягнуў свае даследаванні. Сумесна з Х.Гейгером ён стварыў ў 1908 годзе лічыльнік альфа-часціц - новы прыбор, які сыграў важную ролю ў высвятленні таго, што альфа-часціцы - гэта атамы гелія, двойчы іянізаваныя. Радэрфорд Эрнэст, адкрыцця якога мелі велізарнае значэнне, ў 1908 годзе атрымаў Нобелеўскую прэмію (па хіміі, а не па фізіцы!).

Супрацоўніцтва з Нільсэн Борам

Тым часам планетарная мадэль займала яго думкі ўсё мацней. І вось у сакавіку 1912 гады Радэрфорд стаў супрацоўнічаць і сябраваць з Нільсэн Борам. Найвялікшая заслуга Бора (фота яго прадстаўлена ніжэй) складалася ў тым, што ён унёс прынцыпова новыя рысы ў планетарную мадэль - ідэю квантаў.

Ён вылучыў "пастулаты", якія здаваліся на першы погляд ўнутрана супярэчлівымі. На яго думку, у атаме ёсць арбіты. Электрон, рухаючыся па іх, не выпраменьвае, насуперак законам электрадынамікі, хоць і мае паскарэнне. Гэты вучоны паказаў правіла, з дапамогай якога можна знайсці гэтыя арбіты. Ён высветліў, што кванты выпраменьвання з'яўляюцца толькі пры пераходзе электрона з арбіты на арбіту. Мадэль атама Рэзерфорда-Бора вырашыла многія праблемы, а таксама стала прарывам у свет новых ідэй. Яе адкрыццё прывяло да карэннага перагляду уяўленняў аб матэрыі, аб яе руху.

Далейшая шырокая дзейнасць

У 1919 годзе Радэрфорд стаў прафесарам Кембрыджскага універсітэта, а таксама дырэктарам Кавендишевской лабараторыі. Дзесяткі навукоўцаў справядліва лічылі яго сваім настаўнікам, уключаючы пасля удастоеных Нобелеўскіх прэмій. Гэта Дж. Чедвик, Г. Мозли, М. Олифант, Дж. Кокрофт, О. Ган, В. Гейтлер, Ю.Б. Харытон, П.Л. Капіца, Г. Гамова і інш. Паток ушанаванняў і ўзнагарод станавіўся ўсё багацей. У 1914 году Радэрфорд атрымлівае дваранства. Прэзідэнтам Брытанскай асацыяцыі ён становіцца ў 1923 годзе, а з 1925 па 1930 з'яўляўся прэзідэнтам Каралеўскага таварыства. Тытул барона Эрнэст атрымлівае ў 1931 годзе і становіцца лордам. Аднак, нягледзячы на ўсё больш высокія нагрузкі, і не толькі навуковыя, ён працягвае атакі на таямніцы ядра і атама.

Прапануем вам адзін цікавы факт, звязаны з навуковай дзейнасцю Рэзерфорда. Вядома, што Эрнэст Радэрфорд карыстаўся наступным крытэрам, калі выбіраў сабе супрацоўнікаў ён даваў чалавеку, які прыйшоў да яго ўпершыню, заданне, і калі новы супрацоўнік пасля гэтага цікавіўся, што яму рабіць далей, яго адразу ж звальнялі.

Вучоны ўжо прыступіў да эксперыментаў, якія скончыліся адкрыццём ім штучнага расшчаплення ядраў атамаў і штучнага ператварэння хімічных элементаў. У 1920 году Радэрфорд прадказаў існаванне дейтрона і нейтрона, а ў 1933 стаў ініцыятарам і ўдзельнікам эксперыменту па праверцы існуючай у ядзерных працэсах ўзаемасувязі энергіі і масы. У 1932 годзе, у красавіку, ён падтрымаў ідэю прымянення паскаральнікаў пратонаў пры даследаванні ядзерных рэакцый.

смерць Рэзерфорда

Вялікі ўплыў на навуку і тэхніку, на жыццё мільёнаў людзей аказалі працы Эрнэста Рэзерфорда і працы яго вучняў, якія належаць да некалькім пакаленням. Вялікі вучоны, вядома, не мог не задумацца пра тое, ці будзе гэты ўплыў станоўчым. Аднак ён быў аптымістам, свята верыў у навуку і ў людзей. Эрнэст Радэрфорд, кароткая біяграфія якога была намі апісана, памёр у 1937 году, 19 кастрычніка. Яго пахавалі ў Вестмінстэрскім абацтве.