Ърнест Ръдърфорд: биография, открития и интересни факти

Ърнест Ръдърфорд (снимка по-долу), барон Ръдърфорд Нелсън и Кеймбридж (роден на 30.08.1871 г. в Spring Grove, Нова Зеландия - починал на 19.10.1937 г. в Кеймбридж, Англия) - британски физик от Нова Зеландия, който се счита за най-големия експериментатор от времето на Майкъл Фарадей (1791-1867). Той е централна фигура в изследването на радиоактивността, а концепцията му за структурата на атома доминира ядрената физика. Той получава Нобелова награда през 1908 г., е президент на Кралското общество (1925-1930) и Британската асоциация за развитие на науката (1923). През 1925 г. той е приет в ордена за заслуги и през 1931 г. е удостоен с титлата Peer, получил титлата лорд Нелсън.

Ернест Ръдърфорд: кратка биография в ранните години на живота

Бащата на Ърнест Джеймс в средата на 19-ти век премества детето си от Шотландия в Нова Зеландия, която едва наскоро е установена от европейци, където се занимава със земеделие. Майката на Ръдърфорд, Марта Томпсън, дошла от Англия като тийнейджър и работила като учителка, докато не се омъжила и имала десет деца, от които Ернест бил четвърти (и втори син).

Ърнест учи в безплатни държавни училища до 1886 г., когато печели стипендия за обучение в Нелсън. Талантливият ученик се отличаваше с почти всеки предмет, но най-вече по математика. Друга стипендия помогна на Ръдърфорд да се запише през 1890 г. в Кентърбърийския колеж, един от четирите кампуса на Университета на Нова Зеландия. Това беше малка образователна институция с персонал от само осем учители, но имаше по-малко от 300. Младият талант имаше достатъчно късмет да има отлични учители, които запалиха интереса му към научни изследвания, подкрепени от надеждни доказателства.

След завършване на тригодишен курс на обучение, Ърнест Ръдърфорд става бакалавър и печели стипендия за една година на обучение в Кентърбъри. Завършвайки го в края на 1893 г., той получава магистърска степен - първа степен по физика, математика и математическа физика. Беше помолен да остане още една година в Крайстчърч за независими експерименти. Проучването на Ръдърфорд за способността на високочестотния електрически разряд, например от кондензатор, да намагне желязо в края на 1894 г., му дава бакалавърска степен. През този период той се влюбва в Мери Нютон, дъщеря на жена, в чиято къща той се установява. Те са сключили брак през 1900 г. През 1895 г. Ръдърфорд получава стипендия, наречена на световния панаир в Лондон през 1851 година. Той решава да продължи изследванията си в лабораторията „Кавендиш“, която през 1884 г. оглавява водещият европейски експерт в областта на електромагнитното излъчване Дж. Дж. Томсън.

Кеймбридж

Като признание за нарастващото значение на науката, университета в Кеймбридж променя правилата си, като позволява на завършилите други университети да получат диплома след две години на обучение и приемлива научна работа. Първият изследовател е Ръдърфорд. Ърнест, освен че демонстрира намагнитването чрез осцилиращо изтичане на желязо, откри, че иглата губи част от своята намагнитване в магнитно поле, създадено от променлив ток. Това позволи да се създаде детектор на новооткритите електромагнитни вълни. През 1864 г. шотландският теоретичен физик Джеймс Кларк Максуел прогнозира тяхното съществуване и през 1885-1889. Германският физик Хайнрих Херц ги е открил в лабораторията си. Устройството за откриване на радиовълни на Ръдърфорд е по-просто и има търговски потенциал. На следващата година, младият учен прекарал в лабораторията на Кавендиш, увеличавайки обхвата и чувствителността на устройството, което можело да приема сигнали на разстояние половин миля. Въпреки това, Ръдърфорд липсва междуконтиненталната визия и предприемаческите умения на италианеца Гулиемо Маркони, който е изобретил безжичния телеграф през 1896 г.

Йонизационни изследвания

Рентгенови лъчи са открити в Германия от Вилхелм Конрад Рентген само няколко месеца след появата на Ръдърфорд в Кавендиш. Всички бяха много заинтересовани от възможността да снимат костите на жив човек. Учените искаха да научат повече за свойствата на чудодейните лъчи и какви са те, а Ръдърфорд беше сред тези, които се интересуваха. Ърнест не можеше да откаже почетната покана на Томсън да участва в изследването на това как рентгеновите лъчи променят проводимостта на газовете. Резултатът е класическата работа по йонизация - разделянето на атоми или молекули в положителни и отрицателни части (йони) и привличане на заредени частици към електроди с противоположна полярност.

Радиационни изследвания

Томсън започва да изучава съотношението на заряда към масата на най-разпространения йон, който по-късно става известен като електрон, докато Ръдърфорд изследва други видове радиация, които произвеждат йони. Той се обърна към ултравиолетовите лъчи, а след това към радиацията, излъчвана от урана, която за първи път е открита през 1896 г. от френския физик Анри Бекерел. Поставянето на уран близо до тънко фолио позволи на Ръдърфорд да разбере, че радиацията е по-сложна, отколкото се смяташе преди: един от неговите видове лесно се абсорбира или блокира от много тънък слой метал, но другият често прониква през него. За простота той нарича тези типове радиационна "алфа" и "beta" съответно. По-късно беше установено, че α-частиците съответстват на ядрото на хелиевия атом и се състоят от два протона и два неутрона, докато β-частиците са електрон или негов позитивен вариант позитрон. През следващите няколко години изучаването на тази радиация е от първостепенно значение, а след това вниманието на науката се измества към радиоактивни елементи.

Университет Макгил

Как продължи живота и кариерата на такъв учен като Ърнест Ръдърфорд? Биография Физиката казва, че той скоро е бил преподавател в канадския университет Макгил в Монреал, който може да се похвали с една от най-добре оборудваните лаборатории в Западното полукълбо. Обръщайки внимание на един от няколкото известни радиоактивни елементи той и колегата му открили, че торият освобождава газообразен продукт, който ученият нарича "еманация". Той на свой ред остави твърди отлагания, които скоро бяха превърнати в торий А, В, С и т.н. Любопитно е, че след химическа обработка някои вещества са загубили радиоактивните си свойства, но в крайна сметка са ги възстановили, докато други материали, първоначално силни, постепенно губят активност. Това доведе до концепцията за полуразпад - времевият интервал, необходим за разпадането на половината от атомните ядра на проба, вариращи от няколко секунди до милиарди години, уникален за всеки радиоактивен елемент и следователно, отличен начин за идентифицирането им.

Теория на трансформациите

Ръдърфорд се нуждаеше от помощта на химически експерт, за да се справи с нарастващия брой радиоактивни елементи. Той привлече Фредерик Soddy от McGill, Bertram Borden Boltwood, професор в Yale University, и Otto Hahn, изследовател от Германия. От Содди през 1902-1903 Той разработи теория на трансформацията, обясняваща явлението радиоактивност. Алхимията, с опитите си да превърне оловото в злато, отдавна е прогонена от съвременната химия. Атомите бяха счетени за стабилни. Но Ръдърфорд и Содди твърдят, че енергията на радиоактивността произтича от тях, а спонтанното излъчване на α- или β-частици означава химическа трансформация на един елемент в друг. Очакваха тази иконоборческа теория да бъде опровергана, но авторитетът на много експериментални доказателства потискаше опозицията.

Скоро беше установено, че радиоактивните елементи са разделени на три реда, начело с уран, торий и актиний, като всички те водят до образуването на неактивно олово. Болтуд постави радия в урановата група и, следвайки съветите на Ръдърфорд, използва бавно нарастващо количество олово в минерала, за да покаже, че скалите са на милиарди години. Последното вярва, че алфа-частицата, която има осезаема маса, играе ключова роля в трансформацията на елементите. Той установява, че носи положителен заряд, но не може да установи дали е водороден или хелиев йон.

Женен и известен

В Макгил Ернест Ръдърфорд (снимка в статията) се оженил за любимата си от Нова Зеландия и станал известен. Той покани много ученици в своята лаборатория, включително жени, когато много малко жени са се занимавали с наука. Физикът Ернест Ръдърфорд е популярен лектор и автор на статии от вестници и списания. През 1904 г. той е написал и водещ учебник по радиоактивност. Той имал награди, членство в Лондонското кралско общество и неизбежните предложения за сътрудничество.

Манчестърски университет

В Северна Америка имаше добра научна общност, но световният физически център беше в Европа. Ърнест Ръдърфорд, Нобеловата награда за химия, която е наградена за работата си в Монреал през 1908 г., си намери работа в департамента на Университета в Манчестър, чиято лаборатория е на второ място след Кавендиш.

Заедно с германския физик Ханс Гайгер, Ърнест Ръдърфорд създава електрически брояч на йонизирани частици. Усъвършенстван от Geiger, измервателният уред е станал универсален инструмент за измерване на радиоактивността. Благодарение на уменията на стъклодувника Ръдърфорд и неговият ученик Томас Ройдс идентифицираха някои α-частици и извършиха своя спектрохимичен анализ, който доказа, че те са хелиеви йони. Тогава Болтуд посети лабораторията на Университета в Манчестър и заедно с новозеландския физик посочиха степента на образуване на хелий от радий, от която изчислиха точната стойност. Числата на Авогадро.

Без да остави дългогодишното си очарование с алфа частици, Ръдърфорд изследваше тяхното малко разсейване след взаимодействие с фолиото. Гайгер се присъедини към него и те получиха по-смислени данни. През 1909 г., когато бакалавър Ернест Марсдън търси тема за своя изследователски проект, Ърнест го кани да проучи големи ъгли на разсейване. Марсдън установи, че малък брой α-частици се отклоняват с повече от 90 ° от първоначалната си посока, което накара Ръдърфорд да възкликне, че е почти толкова невероятно, че 15-инчов снаряд, пуснат в лист хартия, ще се върне назад и удари стрелеца.

Атомен модел

Размисъл за това как такава тежка заредена частица може да бъде отклонена от електростатично привличане или отблъскване при такъв голям ъгъл, през 1944 г. Ръдърфорд заключи, че атомът не може да бъде хомогенно твърдо тяло. Според него тя се състои главно от празно пространство и малко ядро, в което е концентрирана цялата му маса. Атомният модел на Ръдърфорд Ернест се потвърждава от множество експериментални доказателства. Тя стана най-големият му научен принос, но извън Манчестър тя не привлече особено внимание. През 1913 г. обаче датският физик Нилс Бор показа важността на това откритие. Година по-рано той посещава лабораторията на Ръдърфорд и се връща като член на факултета през 1914-1916. Радиоактивността, обясни той, е в ядрото, докато химичните свойства се определят от орбитални електрони. Моделът на атома на Бор води до нова концепция за квантите (или дискретни енергийни стойности) в електродинамиката на орбитите и обяснява спектралните линии като освобождаване или поглъщане на енергия от електрони, докато те се движат от една орбита към друга. Хенри Мозли, още един от многото ученици на Ръдърфорд, обяснява по подобен начин последователността на рентгеновия спектър на елементите чрез ядрен заряд. Така беше разработена нова съгласувана картина на физиката на атома.

Подводници и ядрена реакция

Първата световна война опустошила лабораторията, ръководена от Ърнест Ръдърфорд. Интересни факти от живота на един физик през този период се отнасят до участието му в разработването на средства за борба с подводниците, както и в членството в Адмиралтейския съвет за изобретения и научни изследвания. Когато отдели време да се върне към предишната си научна работа, той започнал да изучава сблъсъка на алфа частици с газове. В случай на водород, както се очаква, детекторът регистрира образуването на отделни протони. Протоните също възникват при бомбардиране на азотни атоми. През 1919 г. Ърнест Ръдърфорд открил откритието с друг: той успял изкуствено да предизвика ядрена реакция в стабилен елемент.

Върнете се в Кеймбридж

Ядрените реакции заемаха учения през цялата му кариера, която се проведе отново в Кеймбридж, където през 1919 г. наследникът на Томсън като директор на лабораторията на Кавендишкия университет станал Ръдърфорд. Ернест донесе тук своя колега от университета в Манчестър - физик Джеймс Чадуик. Заедно те бомбардираха алфа частици с поредица от леки елементи и предизвикаха ядрени трансформации. Но те не биха могли да проникнат в по-тежките ядра, тъй като α-частиците отблъснати от тях поради един и същ заряд, а учените не можаха да определят дали това се е случило поотделно или заедно с целта. И в двата случая е необходима по-напреднала технология.

По-високите енергии в ускорителите на частици, необходими за решаване на първия проблем, станаха достъпни в края на 20-те години. През 1932 г. двамата ученици на Ръдърфорд - англичанинът Джон Кокрофт и ирландецът Ърнест Уолтън - първи довели до ядрена трансформация. Използвайки линеен ускорител с високо напрежение, те бомбардират литий с протони и го разделят на две α частици. За тази работа са получили Нобелова награда от 1951 г. по физика. Шотландецът Чарлз Уилсън в Кавендиш създаде мъглива камера, която дава визуално потвърждение на траекторията на заредените частици, за което той е награден със същата престижна международна награда през 1927 г. През 1924 г. английският физик Патрик Блеккет променя фотоапарата за 400 000 алфа сблъсъци. и е установено, че повечето от тях са обикновени еластични, и 8 са придружени от разпад, в който α-частицата се абсорбира от прицелното ядро ​​преди да се разцепи на два фрагмента. Това беше важна стъпка в разбирането на ядрените реакции, за които Блекет получи Нобелова награда по физика през 1948 година.

Откриване на неутрони и термоядрен синтез

Кавендиш стана място за други интересни творби. Съществуването на неутрона е предсказано от Ръдърфорд през 1920 година. След дълго търсене, през 1932 г., Чадуик открил тази неутрална частица, доказвайки, че ядрото се състои от неутрони и протони, а неговият колега, английският физик Норман Федер, скоро показал, че неутроните могат да причинят ядрени реакции по-лесно от заредените частици. Работа с подарък, който наскоро бе открит в САЩ тежка вода през 1934 г. Ръдърфорд, Марк Олифант от Австралия и Пол Хартек от Австрия, извършват бомбардиране с деутерий с дейтрони и провеждат първия термоядрен синтез.

Живот извън физиката

Ученият има няколко хобита, които не са свързани с науката, които включват голф и моторни състезания. Накратко, Ърнест Ръдърфорд се придържа към либералните убеждения, но не е политически активен, въпреки че е бил председател на експертния съвет на правителственото министерство на научните и индустриални изследвания и е живял за цял живот (от 1933 г.) на Академичния съвет за подпомагане, създаден да помогне на учените, които избягаха от нацистка Германия. През 1931 г. той става връстник, но това събитие е засенчено от смъртта на дъщеря му, която почина преди осем дни. Известен учен починал в Кеймбридж след кратка болест и бил погребан в Уестминстърското абатство.

Ърнест Ръдърфорд: интересни факти

• Учи в Университета на Кентърбъри в Нова Зеландия за стипендия, получи бакалавърска и магистърска степен, а също така прекара две години в разработването на новия радиоприемник.
• Ърнест Ръдърфорд е първият, завършил висше образование в Кеймбридж, на когото е разрешено да провежда изследвания в Лабораторията Кавендиш под ръководството на сър Дж. Томсън.
• По време на Първата световна война работи по решаването на практически проблеми по откриването на подводници.
• В университета McGill в Канада, Ърнест Ръдърфорд, заедно с химик Фредерик Содди, създали теорията за атомния разпад.
• В Университета на Виктория в Манчестър той и Томас Ройдс доказаха, че алфа радиацията се състои от хелиеви йони.
• Изследванията на Ръдърфорд за разпадането на елементи и радиоактивни вещества му донесоха Нобелова награда през 1908 година.
• Неговият най-известен експеримент Гайгер - Марсден, който демонстрира ядрената природа на атома, физикът провел след получаване на наградата на Шведската академия.
• 104-ият химически елемент е кръстен на него - рутерфорд, който в СССР и Руската федерация до 1997 година. наричан Курчатовий.