Эрнест Резерфорд

Новгородский Государственный  Университет имени Ярослава Мудрого

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по Истории Науки на тему:

 

Эрнест  Резерфорд 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Эрнест Резерфорд считается  величайшим физиком-экспериментатором  двадцатого столетия. Он является центральной  фигурой в наших познаниях  в области радиоактивности, а  также человеком, который положил  начало ядерной физике. Помимо своего огромного теоретического значения его открытия получили широкий спектр применения, включая: ядерное оружие, атомные электростанции, радиоактивные  исчисления и исследования радиации. Влияние трудов Резерфорда на мир  огромно. Оно продолжает расти и, похоже, еще увеличится в будущем.

Начало пути

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Брайтуотере, живописном местечке Новой Зеландии. Он был  одним из 12 детей колесного мастера  и строительного рабочего Джеймса  Резерфорда, шотландца по происхождению, и Марты (Томпсон) Резерфорд, школьной учительницы из Англии, и из двенадцати детей он оказался наиболее одаренным. Эрнест блестяще закончил начальную  школу, получив 580 баллов из 600 возможных  и премию в 50 фунтов стерлингов для  продолжения образования.

В колледже в Нельсоне, где  Эрнеста Резерфорда приняли в  пятый класс, учителя обратили внимание на его исключительные математические способности. Но математиком Эрнест не стал. Не стал он и гуманитарием, хотя проявлял недюжинные способности  к языкам и литературе. Судьбе угодно было распорядиться, чтобы Эрнест увлёкся  естественными науками - физикой  и химией.

Благодаря успехам в учебе  Резерфорд получил еще одну стипендию, которая позволила ему поступить  в Кентербери-колледж в Крайстчерче, одном из крупнейших городов Новой  Зеландии. Уже на втором курсе он выступил с докладом "Эволюция элементов", в котором высказал предположение, что химические элементы представляют собой сложные системы, состоящие  из одних и тех же элементарных частиц. Студенческий доклад Эрнеста  не был должным образом оценён в университете, однако его экспериментальные  работы, например, создание приёмника  электромагнитных волн, удивили даже крупных учёных. Спустя всего несколько  месяцев ему была присуждена "стипендия 1851 года", которая была учреждена  для окончивших университеты в заморских  владениях (позже эта стипендия  привела в Англию Флори, Олифанта, Филиппа Боудена и целую группу одаренных новозеландцев). Получил  он эту стипендию только потому, что тот, кому ее присудили, отказался  от нее, так как предпочел остаться дома и жениться. Со смирением, забавно  уживавшимся в нем с некоторой  хвастливостью, он всю жизнь был  благодарен этому человеку. Когда  он уже стал лордом Резерфордом, президентом  Королевского общества и величайшим ученым-экспериментатором, было внесено  предложение об упразднении этой стипендии. Резерфорд на заседании  комитета, который рассматривал этот вопрос, от волнения долго не мог  говорить и наконец выпалил: "Если бы не эта стипендия, то не было б  и меня! "

В 1892 г. Резерфорд был еще  студентом-третьекурсником, когда в  научно-студенческом обществе выступил с докладом, который назывался  «Эволюция элементов». Точный текст  доклада не сохранился, однако уже  название говорит само за себя. Надо сказать прямо: для подобного  взгляда физика тогда еще не созрела - никаких фактических данных, чтобы  рассматривать известные науке  элементы с точки зрения их эволюции, не было. Студент Резерфорд проявил  незаурядную смелость, очевидно, основательно подогретую идеями Крукса. Доклад встретили  с нескрываемой иронией, пылкому  студенту пришлось спуститься с небес  на землю и признаться в том, что  он «зашел слишком далеко». Сказать, что весь ученый мир был тогда в восторге от открытия электрона, было бы слишком необоснованным заявлением. Большинство физиков твердо держалось понятия неделимости атома. Как ни странно, наиболее упорным в своих убеждениях оказался знаменитый Рентген. Он в своей лаборатории просто запрещал произносить слово «электрон» и отрицал его существование в течение целых десяти лет. Лишь в 1907 г., когда научные открытия, связанные с представлениями о сложной структуре атома, следовали одно за другим, Рентген позволил уговорить себя своему ассистенту из России А.Ф. Иоффе и разрешил пользоваться понятием «электрон».

В колледже на него оказали  большое влияние его учителя: преподававший физику и химию  Э.У. Бикертон и математик Дж. Х.Х. Кук. После того как в 1892 г. Резерфорду была присуждена степень бакалавра гуманитарных наук, он остался в Кентербери-колледже и продолжил свои занятия благодаря полученной стипендии по математике. На следующий год он стал магистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамены по математике и физике. Его магистерская работа касалась обнаружения высокочастотных радиоволн, существование которых было доказано около десяти лет назад. Для того чтобы изучить это явление, он сконструировал беспроволочный радиоприемник (за несколько лет до того, как это сделал Гульельмо Маркони) и с его помощью получал сигналы, передаваемые коллегами с расстояния полумили.

В 1894 г. Резерфорду была присуждена степень бакалавра естественных наук. В Кентербери-колледже существовала традиция: любой студент, получивший степень магистра гуманитарных наук и оставшийся в колледже, должен был провести дальнейшие исследования и получить степень бакалавра естественных наук. Затем Резерфорд в течение недолгого времени преподавал в одной из мужских школ Крайстчерча.

Кавендишская лаборатория

В 1895 г. молодой провинциальный ученый Эрнст Резерфорд прибыл из далекой Новой Зеландии в Кембридж к директору знаменитой Кавендишской лаборатории Дж.Дж. Томсону. Он попал туда в удачное время, ибо Томсон как раз задумал «мощное наступление» на малоисследованные проблемы физики и нуждался в молодых и энергичных помощниках. Сам Томсон был занят изучением электрических разрядов в газах. Катодные, каналовые, рентгеновские лучи стали объектом его пристального внимания. На Томсона произвело глубокое впечатление проведенное Резерфордом исследование радиоволн, и он в 1896 г. предложил совместно изучать воздействие рентгеновских лучей (открытых годом ранее Вильгельмом Рентгеном) на электрические разряды в газах. Славная плеяда молодых ученых собралась вокруг Дж.Дж. Томсона. Таунсенд, Релей-младший, Вильсон и целый ряд других, ставших впоследствии выдающимися физиками. Знаменитый французский ученый Поль Ланжевен в тот период был совсем молод, он с упоением погрузился в работу, предложенную Томсоном, и тогда же началась для него подготовка к известной докторской диссертации «Исследования в области ионизации газов». И все же самым видным, энергичным, нетерпеливым среди них следует считать Эрнста Резерфорда, говорившего иногда: «Ионы - это веселые малыши, вы можете наблюдать их едва ли не воочию». Их сотрудничество увенчалось весомыми результатами, включая открытие Томсоном электрона - атомной частицы, несущей отрицательный электрический заряд. Опираясь на свои исследования, Томсон и Резерфорд выдвинули предположение, что, когда рентгеновские лучи проходят через газ, они разрушают атомы этого газа, высвобождая одинаковое число положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы они назвали ионами. После этой работы Резерфорд занялся изучением атомной структуры.

В 1898 г. он начал изучать  радиоактивность. Первое же фундаментальное  открытие Резерфорда в этой области - обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном - сделало его  имя известным в научном мире; благодаря ему в науку вошло  понятие об альфа- и бета-излучении.

На Кавендишскую лабораторию  сильное впечатление произвело  известие о работах А. Беккереля, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением урановых лучей. Он потратил на это целый год и тоже пришел к заключению, что к лучам Рентгена они никакого отношения не имеют. Мы сейчас хорошо знаем, что рентгеновские лучи как вид электромагнитных колебаний могут иметь большую или меньшую проникающую способность в зависимости от частоты колебаний и длины волны. В те времена также уже различали «жесткие» и «мягкие» X-лучи, хотя и пошучивали, говоря, что их проникающая способность целиком зависит от Эбенизера Эверетта - искуснейшего стеклодува, изготовителя разрядных трубок.

Резерфорд один из первых установил, что урановые лучи неоднородны. Помещая  на пути этих лучей листочки алюминиевой  фольги, он наблюдал по электрометру, как  ослабевал ток, возникающий под  влиянием радиации. Четыре листочка уменьшали  ток в двадцать раз по сравнению  с исходным, но дальнейшее прибавление  их почти не влияло на стрелку электрометра, которая никак не хотела вернуться  в исходное положение; лишь сотый  листок уменьшил этот «застывший» на определенном уровне ток вдвое. Так  было выяснено, что излучение урана  состоит из двух компонентов: порождающего сильную ионизацию, но сильно поглощающегося веществом, и создающего менее заметную ионизацию, но обладающего гораздо  большей проникающей способностью. Так были открыты альфа- и бета-лучи. Разделение их с помощью магнита  было осуществлено позднее. В разгар работы Резерфорда в печати появилось  научное сообщение М. Кюри «О лучах, испускаемых соединениями урана и тория».

В 1900 г., во время краткой поездки в Новую Зеландию, Резерфорд женился на Мэри Ньютон, которая родила ему дочь.

Мак-Гиллский университет

По рекомендации Дж.Дж. Томсона Резерфорду была предоставлена возможность занять должность профессора физики в Мак-Гиллском университете в Монреале. В рекомендательном письме Дж. Томсона было написано: "В моей лаборатории ещё никогда не было молодого учёного с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как господин Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, то создаст выдающуюся школу физиков в Монреале…". Предсказание Томсона сбылось. Резерфорд проработал в Канаде 10 лет и действительно создал там научную школу.

Молодой ученый расстался  с друзьями по Кавендишской лаборатории  и отправился за океан - в Канаду. Там он немедленно стал продолжать исследования уранового излучения. Его коллега, профессор электротехники Б.Р. Оуэнс, тоже заинтересовался этим и попросил Резерфорда указать, с чего ему начать. Резерфорд, не колеблясь, ответил: с тория.

Радиоактивность этого элемента была совершенно неизученной областью; кроме того, что она существует, о ней ничего не было известно. Правда, Беккерель, наблюдая ториевое излучение, отмечал любопытное отличие его  от уранового. Если последнее в течение  двух лет было неизменным, то первое меняло свою интенсивность по самым, можно сказать, пустяковым причинам, вплоть до чихания ассистента или  хлопанья лабораторной двери. Беккерель, конечно, мог и ошибиться, но если все точно, то такое непостоянство  излучения может дать ключ к пониманию  радиоактивных явлений. Так рассуждал  Резерфорд, предлагая Оуэнсу обратить самое серьезное внимание на торий.

Правота Беккереля в опытах Оуэнса подтвердилась самым неожиданным  образом. Кафедра физики Мак-Гиллского  университета была основана на средства чудака-миллионера Макдональда, который  и в дальнейшем подбрасывал ей значительные суммы. Это был табачный король, не выносивший табачного дыма, в его присутствии никто не курил. Однажды он неожиданно посетил  университет, и Резерфорд ворвался в подвальное помещение, где работал  Оуэнс, с криком: «Настежь окна, уберите  трубки! Живей пошевеливайтесь: Макдональд обходит лаборатории!» Требование было выполнено с предельной поспешностью, и сквозняк вымел весь табачный дым. Но когда Оуэнс снова сел измерять активность тория, то обнаружил, что  она резко упала. Выходило, что  интенсивность торцевой радиации зависела от движения воздуха. Говорят, Резерфорд  поздравил Оуэнса с тем, что непонятное стало еще непонятней. Дальнейшие опыты показали, что «в безветрии» радиация восстанавливала свою интенсивность.

Оуэнс уехал в Англию, и Резерфорд уже без него пытался  разрешить загадку тория. По проведенным  наблюдениям из тория что-то выделялось радиоактивное, и его, как это  ни странно, можно самым примитивным  образом сдуть. Что это - пар, пыль или еще что-то? Неизвестно, а пока Резерфорд дал ему имя «эманация», заимствуя это слово из лексикона  мистиков, где оно означает - «выделение», что, конечно, никак не свидетельствует  о склонности Резерфорда к мистике. Физики умели, оказывается, шутить и  раньше.

Загадочную эманацию ученый пропустил через фильтр из стеклянной ваты, - прием, которым он пользовался  еще в Кавендишской лаборатории. Интенсивность радиации не изменилась. Это говорило о том, что эманация - не пылинки и не ионы, так как первые задерживались фильтром, а вторые прилипали к стенкам стекла. Не исключалась возможность, что эманация просто пары тория. Однако прогоняя воздух с эманацией через крепкую серную кислоту, Резерфорд убедился, что и пары тут не при чем: если бы это были пары, они обязательно бы вступили в реакцию с кислотой, отдав ей свою радиоактивность и освободив от нее воздух. Между тем кислота оставалась не радиоактивной, а воздух - да. Новый газ? Новый элемент? Можно было ожидать такого же триумфа, какой был у Рамзая при открытии благородных газов. Следовало немедленно воспользоваться методом, который не раз уже с успехом сыграл роль непогрешимого разведчика, - спектральным анализом. К сожалению, в Монреале не было опытного спектроскописта, а посылать трубочку с газом в Англию было совершенно бессмысленно: пока она переплывала бы океан, газ утратил бы радиоактивность - это Резерфорд твердо знал. Надо было найти какой-то другой путь, чтобы убедить исследователей в том, что эманация - это новый благородный газ, дополняющий группу, открытую Рамзаем. И Резерфорд попытался это сделать с помощью старой машины Линде, переведя газ в жидкое состояние. Но машина давала только минус 100°С, а этого оказалось мало. Пришлось искать более совершенную холодильную машину, дававшую минус 200°C. Когда газ, наконец, удалось ожижить, физики признали, что эманация - это действительно благородный газ. Назвали его тороном.

Всему этому предшествовало одно очень любопытное наблюдение. Предметы, которых касалась эманация тория, становились радиоактивными. Резерфорд поторопился обозначить новое явление термином «возбужденная  радиоактивность», но вскоре сам же понял, что поступил слишком неосмотрительно, ибо не было никакого «возбуждения», а просто появлялся какой-то новый  излучатель. Это было вещество, порождаемое  эманацией и осаждающееся на самых  различных материалах. Резерфорду долго  не удавалось отделить это вещество от предмета, на котором оно осело. Наконец дело завершилось успехом. Вся радиоактивность с платиновой проволочки была переведена в раствор  с разбавленной кислотой. Выпарив  такой раствор на песчаной бане, Резерфорд получил сухой остаток, продолжавший интенсивно излучать. Излучение  это не было постоянным, со временем оно ослабевало, но в 660 раз медленнее, чем у эманации.

Через некоторое время  в Докладах Парижской академии появилась  статья супругов Кюри, в которой  они сообщали, что радий и полоний  возбуждают радиоактивность в окружающих предметах. Французские ученые назвали  это явление «индуцированной  радиоактивностью» и объяснили  его как фосфоресценцию. Резерфорд, ознакомившись с статьей, увидел сразу, что речь идет об одном и  том же явлении, что Кюри заблуждаются так же, как заблуждался и он сам. Он отправил в Европу письмо.

Но что же было у Кюри? Впоследствии выяснилось, что радий, как и торий, порождает газ, также  радиоактивный - он-то и был причиной «индуцированной радиоактивности», так как, в свою очередь, порождал новый излучатель. Эта эманация радия  получила имя радон. По своим химическим свойствам он не отличался от торона и должен был занять клетку в столбце  благородных газов, но по атомному весу эти элементы несколько различались.

Судьба свела Резерфорда с талантливым и энергичным молодым  химиком Фредериком Содди, только что  окончившим Оксфордский университет. Ему было всего 22 года. С пылкой юношеской  страстью он настаивал, что строение материи - это область химии, а  не физики. С такой же прямотой он провозгласил свою приверженность к  алхимическим взглядам и утверждал  нисколько не смущаясь: «Очень мало может быть узнано о строении материи, пока не будет совершено превращение  элементов. Сегодня, как и всегда, это реальная цель химика». Вспомним, что и сам Резерфорд в молодости  не был чужд этой идеи, хотя и вынужден был потом признать, что зашел  слишком далеко.

Совместная работа этих ученых дала замечательные результаты. Однажды  Содди удалось отделить от тория  какую-то примесь, рождавшую, как оказалось, эманацию. Очевидно, не сам торий, а  именно эти примеси ответственны за образование радиоактивного газа. Однако при проверке было установлено, что и очищенный торий также  давал эманацию. Это было удивительно! И вдруг они узнали, что еще  годом раньше с подобным явлением столкнулся Крукс, экспериментировавший не с торием, а с ураном. Будучи прекрасным химиком, он очистил урановый препарат и также отделил какую-то излучавшую примесь. Исследовав ее химические свойства, Крукс убедился, что это  не радий и не полоний. Зато уран, очищенный от примеси, перестал излучать. Беккерель, первооткрыватель уранового  излучения, тотчас повторил опыты Крукса и получил те же результаты, но очищенный и переставший излучать уран он сохранил и проверил на радиоактивность спустя несколько месяцев. Результат был ошеломляющим: радиоактивность полностью восстановилась. Между тем Крукс сумел выделить новое вещество и дал ему имя - уран-X. Беккерель с удивлением обнаружил, что в то время, как радиоактивность чистого урана восстановилась, у второго она исчезла.