Эрнест Резерфорд
Эрнест Резерфорд (1871-1937) является одним из величайших физиков в истории: он открыл планетарную строение атома, классифицировал виды радиоактивного излучения, первым в мире осуществил искусственную трансмутацию элементов и воспитал более десяти учеников, ставших нобелевскими лауреатами.
Происхождение и детство в Новой Зеландии
Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в деревушке Спринг-Гроув (ныне Брайтуотер) в провинции Нельсон на Южном острове Новой Зеландии. Он был четвёртым из двенадцати детей в семье шотландского эмигранта Джеймса Резерфорда, плотника и фермера из Перта, и Марты Томпсон, уроженки Хорнчёрча (Эссекс, Англия), работавшей учительницей. В метрической записи имя мальчика случайно написали с ошибкой: «Earnest» вместо «Ernest», а домашние называли его просто «Ерн».
Семья занималась выращиванием льна и держала небольшую лесопилку. Навыки работы с инструментами, приобретённые в детстве, Резерфорд впоследствии применял при сборке лабораторного оборудования своими руками, что коллеги считали одним из его особых достоинств. Начальную школу Эрнест окончил с результатом 580 из 600 возможных баллов и получил денежную премию в 50 фунтов стерлингов.
Образование: от Нельсона до Кембриджа
В 1887 году Резерфорд поступил в Колледж Нельсона по конкурсной стипендии. Учился блестяще: в 1889 году стал хед-боем, то есть старшим учеником и главным представителем студентов. Затем он перешёл в Кентерберийский колледж в Крайстчёрче, небольшое учебное заведение примерно с 150 студентами и семью профессорами. Именно здесь в 1892 году он написал магистерскую работу «Намагничивание железа при высокочастотных разрядах», исследовав распространение электромагнитных волн, и занял первое место на магистерских экзаменах.
В 1895 году Резерфорд получил стипендию Королевской комиссии Всемирной выставки 1851 года (150 фунтов в год), открывавшую путь в Великобританию. Он приехал в Кавендишскую лабораторию Кембриджа и стал одним из первых внешних, не кембриджских, исследователей, принятых директором лаборатории Дж. Дж. Томсоном (Томсон откроет электрон через два года). Там Резерфорд занялся распространением радиоволн и добился их приёма на расстоянии свыше 800 метров, хотя вскоре Маркони десятикратно перекрыл его рекорд.
Монреаль: трансмутация и периоды полураспада
В 1898 году, когда открылась кафедра Макдональда по физике в Университете Макгилла в Монреале, Резерфорд занял её с окладом 500 фунтов в год. Именно в Монреале он развернул масштабную программу изучения радиоактивных веществ. В 1900 году к нему присоединился молодой химик Фредерик Содди, приехавший из Оксфорда.
Их совместная работа с 1901 по 1903 год привела к революционному открытию: при радиоактивном распаде атом одного химического элемента превращается в атом другого. Прежде это считалось невозможным: атомы полагали вечными и неизменными. Результаты серии статей в Philosophical Magazine полностью перевернули представления химиков. Именно за эти работы Резерфорд получил Нобелевскую премию. В тех же исследованиях он ввёл понятие периода полураспада, установив, что активность любого образца убывает строго вдвое за фиксированное время: для одного из изотопов тория оно составляло 11,5 минут.
Открытие альфа-, бета- и гамма-излучений
Ещё в Кавендишской лаборатории и в первые монреальские годы Резерфорд обнаружил, что излучение урана неоднородно. Тонкий слой алюминия задерживал одну составляющую, тогда как другая проходила насквозь. В 1899 году он назвал первую составляющую альфа-лучами, вторую бета-лучами. В 1903 году Резерфорд ввёл и термин «гамма-лучи» для ещё более проникающего излучения, открытого Полем Вийяром тремя годами ранее. Впоследствии было установлено, что альфа-частицы являются ядрами гелия, бета-частицы электронами, а гамма-лучи электромагнитным излучением высокой энергии.
Эта систематизация позволила физикам всего мира работать с единым понятийным аппаратом. Три латинских буквы, введённых Резерфордом, до сих пор повсеместно используются в ядерной физике и медицине.
Планетарная модель атома и опыт с золотой фольгой
В 1907 году Резерфорд принял должность профессора Лэнгворти в Университете Виктории в Манчестере, сменив Артура Шустера. Именно здесь произошло главное открытие его жизни. В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под руководством Резерфорда начали облучать тончайшую золотую фольгу пучком альфа-частиц от радиевого препарата. Согласно господствовавшей тогда «пудинговой» модели Томсона, положительный заряд равномерно распределён по всему атому, и частицы должны были проходить сквозь фольгу почти без отклонений.
Реальность оказалась иной. Из примерно 10 000 альфа-частиц одна отскакивала назад или отклонялась на очень большой угол. Резерфорд описал своё изумление: «Это было самое невероятное событие в моей жизни. Примерно так же невероятно, как если бы вы выстрелили артиллерийским снарядом в папиросную бумагу, а он вернулся обратно и попал в вас». В 1911 году он опубликовал планетарную модель: в центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, в 10 000 раз меньше самого атома по размеру, но содержащее почти всю его массу. Электроны вращаются вокруг ядра на огромных сравнительных расстояниях, а атом в основном состоит из пустоты.
Датский физик Нильс Бор присоединился к лаборатории Резерфорда в 1912 году и на базе ядерной модели построил в 1913 году квантовую теорию атома водорода, объяснившую атомные спектры. Это был первый шаг к квантовой механике.
Нобелевская премия и первое расщепление ядра
В 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии «за проведённые им исследования в области распада элементов и химию радиоактивных веществ». Формулировка слегка задела учёного, считавшего себя прежде всего физиком. По этому поводу он пошутил: «Вся наука, либо физика, либо коллекционирование марок», подразумевая, что химия для него второстепенна. Ирония судьбы состояла в том, что самое грандиозное физическое открытие, планетарная модель атома, Резерфорд совершил уже после получения премии.
В 1917-1919 годах, параллельно с работой на Адмиралтейство по обнаружению подводных лодок акустическими методами, Резерфорд бомбардировал альфа-частицами ядра атомов азота. Он установил, что ядро азота-14 при ударе превращается в ядро кислорода-17, а из реакции вылетает ядро водорода. В 1920 году на лекции в Королевском обществе Резерфорд назвал это ядро водорода протоном и объявил о первом в истории искусственном превращении одного химического элемента в другой. Его стали называть «первым успешным алхимиком» за то, что он сделал реальностью вековую мечту превратить один элемент в другой, пусть и атомарный, но не золото. Тогда же в этой лекции он предсказал существование нейтрона, частицы с массой протона, но без электрического заряда. Его ученик Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году и получил за это Нобелевскую премию.
Кавендишская лаборатория: эпоха учеников
В 1919 году Резерфорд занял пост профессора Кавендиша в Кембридже и директора Кавендишской лаборатории, сменив на этом посту своего учителя Дж. Дж. Томсона. Он руководил лабораторией вплоть до смерти в 1937 году. За этот период под его руководством или при его участии были сделаны открытия, изменившие физику.
В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон (Нобелевская премия 1935). В том же году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон на первом в мире линейном ускорителе расщепили ядро лития ускоренными протонами (Нобелевская премия 1951). Советский физик Пётр Капица проработал в Кавендише тринадцать лет (1921-1934), стал заместителем директора и членом Лондонского королевского общества. В 1934 году Капица выехал в СССР и был задержан советскими властями. Резерфорд лично добивался его освобождения и в конечном счёте добился передачи советской стороне оборудования из Кавендиша, чтобы Капица мог продолжать работу.
Из школы Резерфорда вышли не менее двенадцати нобелевских лауреатов: помимо Чедвика, Кокрофта и Уолтона, это Фредерик Содди (1921), Нильс Бор (1922), Патрик Блэкетт (1948), Сесил Пауэлл (1950), Эдуард Эплтон (1947), Пётр Капица (1978) и другие. Советский физик Юлий Харитон, будущий научный руководитель советского атомного проекта, в 1928-1929 годах работал в Кавендишской лаборатории и защитил под руководством Резерфорда диссертацию о сцинтилляциях от альфа-частиц.
Личная жизнь и характер
Ещё до отъезда в Кембридж Резерфорд обручился с Мэри Джорджиной Ньютон (1876-1954). Свадьба состоялась в 1900 году в церкви Сент-Пол в Папаниуи близ Крайстчёрча. Их единственная дочь Эйлин Мэри Резерфорд (1901-1930) вышла замуж за астрофизика Ральфа Говарда Фаулера и скончалась в 1930 году при рождении четвёртого ребёнка, что стало глубоким личным потрясением для Резерфорда.
Среди увлечений Резерфорда выделялся гольф и автомобильные поездки. Коллеги отмечали его громкий голос и заразительный энтузиазм: говорили, что он не ходит в лабораторию, а врывается в неё. Пётр Капица дал Резерфорду прозвище «Крокодил», объяснив его тем, что крокодил никогда не оглядывается назад, только движется вперёд. Скульптуру крокодила Капица поместил на здании, построенном специально для него в Кавендише. Отто Ган вспоминал: «Его энтузиазм и огромная энергия заражали всех нас».
Последние годы, смерть и наследие
В 1914 году Резерфорд был посвящён в рыцари королём Георгом V. В 1925-1930 годах он возглавлял Лондонское королевское общество. В 1931 году ему был пожалован титул барона Резерфорда Нельсонского, что стало высшим официальным признанием его заслуг в Великобритании. Он также был удостоен медали Копли (1922), ордена Заслуг (1925) и медали Фарадея (1930).
В октябре 1937 года у Резерфорда ущемилась грыжа, на которую он долго не обращал внимания. Экстренная операция не спасла учёного. 19 октября 1937 года Эрнест Резерфорд скончался в Кембридже в возрасте 66 лет. По официальному заключению, причиной смерти стал кишечный паралич. После кремации прах был захоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с могилами Исаака Ньютона и Чарльза Дарвина.
В 1997 году IUPAC присвоил 104-му элементу таблицы Менделеева название «резерфордий» (Rf). Резерфорд изображён на новозеландской банкноте в 100 долларов, выпущенной в 1999 году. Его именем названы Лаборатория Резерфорда-Эплтона в Великобритании, астероид (1249) Резерфордия и кратер на обратной стороне Луны. Новозеландская компания Rocket Lab назвала свой ракетный двигатель «Резерфорд» в честь знаменитого земляка.