Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Эрнест Резерфорд (фото размещено далее в статье), барон Резерфорд Нельсона и Кембриджа (родился 30.08.1871 в Спринг-Груве, Новая Зеландия — умер 19.10.1937 в Кембридже, Англия) - британский физик родом из Новой Зеландии, которого считают самым великим экспериментатором со времен Майкла Фарадея (1791-1867). Он был центральной фигурой в области изучения радиоактивности, а его концепция строения атома доминировала в ядерной физике. Стал лауреатом Нобелевской премии в 1908 году, был президентом Королевского общества (1925-1930) и Британской ассоциации содействия развитию науки (1923). В 1925 году был принят в члены Ордена заслуг и в 1931 году был удостоен звания пэра, получил титул лорда Нельсона.

Эрнест Резерфорд: краткая биография в ранние годы жизни

Отец Эрнеста Джеймс в середине XIX века ребенком переехал из Шотландии в Новую Зеландию, лишь недавно заселенную европейцами, где занимался сельским хозяйством. Мать Резерфорда - Марта Томпсон - приехала из Англии в подростковом возрасте и работала школьной учительницей, пока не вышла замуж и не родила десятерых детей, из которых Эрнест был четвертым (и вторым сыном).

Эрнест учился в бесплатных государственных учебных заведениях до 1886 г., когда он выиграл стипендию для учебы в частной средней школе Нельсона. Одаренный ученик преуспел почти в каждом предмете, но особенно в математике. Другая стипендия помогла Резерфорду поступить в 1890 году в Кентербери-колледж, один из четырех кампусов университета Новой Зеландии. Это было небольшое учебное заведение, в штате составе которого числилось всего восемь преподавателей, студентов же было менее 300. Юному дарованию посчастливилось иметь прекрасных учителей, которые разожгли в нем интерес к научным исследованиям, подкрепленным надежными доказательствами.

По завершении трехлетнего учебного курса Эрнест Резерфорд стал бакалавром и выиграл стипендию для года учебы в аспирантуре в Кентербери. Завершив ее в конце 1893 года, он получил степень магистра искусств - первую ученую степень в области физики, математики и математической физики. Ему было предложено остаться еще на один год в Крайстчерче для проведения независимых экспериментов. Исследование Резерфорда способности высокочастотного электрического разряда, например, от конденсатора, намагничивать железо в конце 1894 года принесло ему степень бакалавра наук. В этот период он полюбил Мэри Ньютон, дочь женщины, в чьем доме он поселился. Они поженились в 1900 г. В 1895-м Резерфорд получил стипендию имени Всемирной выставки 1851 г. в Лондоне. Он решил продолжать свои исследования в Кавендишской лаборатории, которую Дж. Дж. Томсон, ведущий европейский эксперт в области электромагнитного излучения, возглавил в 1884 г.

Кембридж

В знак признания растущей важности науки Кембриджский университет изменил свои правила, позволив выпускникам других вузов получать диплом после двух лет обучения и выполнения приемлемой научной работы. Первым студентом-исследователем стал Резерфорд. Эрнест, кроме демонстрации намагничивания колебательным разрядом железа, установил, что игла теряет часть своей намагниченности в магнитном поле, создаваемом переменным током. Это позволило создать детектор недавно открытых электромагнитных волн. В 1864 г. шотландский физик-теоретик Джеймс Клерк Максвелл предсказал их существование, а в 1885-1889 гг. немецкий физик Генрих Герц обнаружил их в своей лаборатории. Прибор Резерфорда для детекции радиоволн был проще и имел коммерческий потенциал. Следующий год молодой ученый провел в Кавендишской лаборатории, увеличивая диапазон и чувствительность прибора, который мог принимать сигналы на расстоянии полумили. Однако Резерфорду не хватило межконтинентального видения и предпринимательских навыков итальянца Гульельмо Маркони, который изобрел беспроводной телеграф в 1896 г.

Исследования ионизации

Не оставляя своего давнего увлечения альфа-частицами, Резерфорд изучал их небольшое рассеяние после взаимодействия с фольгой. Гейгер присоединился к нему, и они получили больше значимых данных. В 1909 г., когда студент-старшекурсник Эрнест Марсден искал тему для своего научно-исследовательского проекта, Эрнест предложил ему изучить большие углы рассеяния. Марсден обнаружил, что небольшое число α-частиц отклонялось более чем на 90° от своего первоначального направления, что вынудило Резерфорда воскликнуть, что это почти так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд, запущенный в лист папиросной бумаги, отскочил бы обратно и попал в стрелявшего.

Модель атома

Размышляя над тем, как такая тяжелая заряженная частица может отклоняться электростатическим притяжением или отталкиванием на такой большой угол, в 1944 г. Резерфорд пришел к выводу, что атом не может являться однородным твердым телом. По его мнению, он состоял в основном из пустого пространства и крошечного ядра, в котором сконцентрирована вся его масса. Резерфорд Эрнест модель атома подтвердил многочисленными экспериментальными доказательствами. Она стала его наибольшим научным вкладом, но за пределами Манчестера на нее обращали мало внимания. В 1913 г., однако, датский физик Нильс Бор показал всю важность этого открытия. Годом ранее он посетил лабораторию Резерфорда и вернулся в нее в качестве сотрудника факультета в 1914-1916 гг. Радиоактивность, как объяснил он, заключена в ядре, в то время как химические свойства определяются орбитальными электронами. Модель атома Бора породила новую концепцию квантов (или дискретных значений энергии) в электродинамике орбит, и он объяснил спектральные линии как выделение или поглощение энергии электронами при их переходе из одной орбиты на другую. Генри Мозли, еще один из многих учеников Резерфорда, аналогичным образом объяснил последовательность рентгеновского спектра элементов зарядом ядра. Таким образом была разработана новая согласованная картина физики атома.

Подлодки и ядерная реакция

Первая мировая война опустошила лабораторию, которой руководил Эрнест Резерфорд. Интересные факты из жизни физика в этот период касаются его участия в разработке средств борьбы с подводными лодками, а также членства в Совете адмиралтейства по изобретениям и научным исследованиям. Когда он нашел время, чтобы вернуться к своим предыдущим научным работам, то занялся изучением столкновения альфа-частиц с газами. В случае водорода, как и ожидалось, детектор фиксировал образование отдельных протонов. Но протоны возникали и при бомбардировке атомов азота. В 1919 г. Эрнест Резерфорд открытия пополнил еще одним: ему удалось искусственно спровоцировать ядерную реакцию в стабильном элементе.

Возвращение в Кембридж

Ядерные реакции занимали ученого на протяжении всей карьеры, которая проходила снова в Кембридже, где в 1919 г. преемником Томсона на посту директора Кавендишской лаборатории университета и стал Резерфорд. Эрнест привел сюда своего коллегу по университету Манчестера - физика Джеймса Чедвика. Вместе они бомбардировали альфа-частицами ряд легких элементов и вызывали ядерные превращения. Но им не удавалось проникнуть в более тяжелые ядра, поскольку α-частицы отталкивались от них из-за одинакового заряда, и ученые не могли определить, происходило это раздельно или вместе с мишенью. В обоих случаях требовалась более передовая технология.

Более высокие энергии в ускорителях частиц, необходимые для решения первой проблемы, стали доступны в конце 1920-х годов. В 1932 г. два студента Резерфорда - англичанин Джон Кокрофт и ирландец Эрнест Уолтон - стали первыми, кто фактически вызвал ядерное превращение. С помощью высоковольтного линейного ускорителя они бомбардировали литий протонами и расщепили его на две α-частицы. За эту работу они получили Нобелевскую премию 1951 г. по физике. Шотландец Чарльз Вильсон в Кавендише создал туманную камеру, которая давала визуальное подтверждение траектории заряженных частиц, за что был удостоен этой же престижной международной награды в 1927 г. В 1924-м английский физик Патрик Блэкетт модифицировал камеру Вильсона, чтобы сфотографировать около 400 000 альфа-столкновений и обнаружил, что большинство из них были обычными упругими, а 8 сопровождались распадом, в котором α-частица поглощалась ядром-мишенью перед его расщеплением на два фрагмента. Это стало важным шагом в понимании ядерных реакций, за что Блэкетту была присвоена Нобелевская премия по физике 1948 года.

Открытие нейтрона и термоядерного синтеза

Кавендиш стал местом проведения и других интересных работ. Существование нейтрона было предсказано Резерфордом в 1920 году. После долгих поисков, в 1932 году Чедвик обнаружил эту нейтральную частицу, доказав, что ядро состоит из нейтронов и протонов, а его коллега, английский физик Норман Федер, вскоре показал, что нейтроны могут вызывать ядерные реакции легче, чем заряженные частицы. Работая с подаренной недавно открытой в США тяжелой водой, в 1934 г. Резерфорд, Марк Олифант из Австралии и Пауль Хартек из Австрии провели бомбардировку дейтерия дейтронами и провели первый термоядерный синтез.

Жизнь вне физики

Ученый имел несколько увлечений, не касающихся науки, в число которых входили гольф и автоспорт. Эрнест Резерфорд, кратко говоря, придерживался либеральных убеждений, но не был политически активным, хотя и занимал должность председателя экспертного совета правительственного Департамента научных и промышленных исследований и являлся пожизненным президентом (с 1933 г.) организации Academic Assistance Council, созданной для помощи ученым, бежавшим из нацистской Германии. В 1931 г. он стал пэром, но это событие было омрачено смертью его дочери, скончавшейся восемью днями раньше. Выдающийся ученый умер в Кембридже после непродолжительной болезни и был похоронен в Вестминстерском аббатстве.

Эрнест Резерфорд: интересные факты

• Он учился в Кентерберийском колледже университета Новой Зеландии на стипендию, получив степень бакалавра и магистра, а также два года занимался разработками, которые привели к изобретению нового вида радиоприемника.
• Эрнест Резерфорд был первым выпускником, не окончившим Кэмбридж, которому было разрешено вести научно-исследовательскую работу в Кавендишской лаборатории под руководством сэра Дж. Дж. Томсона.
• Во время Первой мировой войны он работал над решением практических проблем обнаружения подводных лодок.
• В университете Макгилла в Канаде Эрнест Резерфорд вместе с химиком Фредериком Содди создал теорию атомного распада.
• В университете Виктории в Манчестере он и Томас Ройдс доказали, что альфа-излучение состоит из ионов гелия.
• Исследование Резерфорда по распаду элементов и радиоактивных веществ принесли ему Нобелевскую премию в 1908 году.
• Свой самый известный эксперимент Гейгера - Марсдена, который продемонстрировал ядерную природу атома, физик провел уже после получения награды Шведской академии.
• В его честь назван 104-й химический элемент - резерфордий, который в СССР и РФ до 1997 г. именовался курчатовием.

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Брайтуотере, живописном местечке Новой Зеландии. Он был четвертым ребенком в семье выходцев из Шотландии Джеймса Резерфорда и Марты Томсон, 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.
После окончания колледжа Резерфорд поступил в Кентерберийский университет, и 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", которой отмечались самые талантливые выпускники провинциальных английских университетов.
После этого Резерфорд в течение трёх лет работал в Кембридже, в Кавендишской лаборатории, под руководством известного физика Джозефа-Джона Томсона. 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.
В том же году 26-летнего Резерфорда пригласили в Монреаль в качестве профессора Мак-Гиллского университета -- лучшего в Канаде. Этот университет получил название по имени своего основателя -- переселенца из Шотландии, которому под конец жизни удалось разбогатеть. Перед отъездом Резерфорда в Канаду Дж. Томсон вручил ему рекомендательное письмо, где 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.
В 1903 г. 32-летний ученый был избран членом Лондонского Королевского общества -- британской Академии наук.
В 1907 г. Резерфорд вместе с семьей переезжает из Канады в Англию, чтобы занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. Сразу же после приезда Резерфорд занялся экспериментальными исследованиями радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882-1945), разработавший ионизационный метод измерения интенсивности излучения - широко известный счетчик Гейгера. Резерфорд произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. Вместе с другим своим учеником, Эрнестом Марсденом (1889-1970), он исследовал особенности прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластинки. На основании этих опытов ученый предложил планетарную модель атома: в центре атома - ядро, вокруг которого вращаются электроны. Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных ядер легких элементов и искусственных ядерных превращений.
В течение 18 лет - с 1919 года и до конца своей жизни - Резерфорд возглавлял основанную в 1874 году Кавендишскую лабораторию. До него ею руководили великие английские физики Максвелл, Релей и Томсон. Резерфорд не дожил всего нескольких лет до того, как немецкие физики Отто Ган (1879-1968) и Лизе Майтнер (Мейтнер) (1878-1968) открыли деление урана.
По словам Патрика Блэкетта, одного из ближайших сотрудников Резерфорда, это открытие "в известном смысле явилось последним из великих открытий в ядерной физике, отличающейся от физики элементарных частиц. Резерфорд не дожил до кульминационного пункта развития направления, которое фактически было областью его научной деятельности ".

• Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. [Djv- 7.6M ] Ответственный редактор Г.Н. Флеров. Составитель и редактор перевода Ю.М. Ципенюк.
  (Москва: Издательство «Наука», 1972. - Серия «Классики науки»)
  Скан: AAW, обработка, формат: mor, 2010
• СОДЕРЖАНИЕ:
  Предисловие (5).
  1902 г.
  1. Существование тел меньше атомов (7).
  1905 г.
  2. Заряд переносимый α- и β-лучами радия (14).
  3. Некоторые свойства α-лучей, испускаемых радием (28).
  1906 г.
  4. Торможение α-частиц, испускаемых радием при прохождении через вещество (40).
  5. Масса и скорость α-частиц, испускаемых радием и актинием (51).
  1907 г.
  6. Скорость и энергия α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами (72).
  7. Некоторые космические аспекты радиоактивности (79).
  8. Образование и происхождение радия (94).
  1908 г.
  9. Спектр эманации радия (109).
  10. Исследование эманации радия. Часть 1 (112).
  11. Электрический метод счета α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами (123).
  12. Заряд и природа α-частицы (143).
  13. Химическая природа α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами (Нобелевская лекция) (154).
  1909 г.
  14. Природа α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами (164).
  15. Атомистическая теория и определение атомных величин (169).
  1911 г.
  16. Исследование эманации радия. Часть II (185).
  17. Образование гелия из радия (192).
  18. Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома (208).
  1913 г.
  19. Возраст плеохроических гало (225).
  1914 г.
  20. Строение атома (238).
  1919 г.
  21. Столкновение α-частиц с легкими атомами. Часть I (247).
  22. Столкновение α-частиц с легкими атомами. Часть II (268).
  23. Столкновение α-частиц с легкими атомами. Часть III (277).
  24. Столкновение α-частиц с легкими атомами. Часть IV (286).
  1920 г.
  25. Ядерное строение атомов (Бейкерианская лекция) (292).
  1921 г.
  26. Искусственное расщепление легких элементов (317).
  1922 г.
  27. Расщепление элементов α-частицами (332).
  1923 г.
  28. Электрическое строение вещества (346).
  1924 г.
  29. Дальнейшие эксперименты по искусственному разложению элементов (369).
  30. О происхождении и природе длиннопробежных частиц, наблюдаемых с источниками радия C (376).
  1925 г.
  31. Рассеяние α-частиц атомными ядрами и закон силы (391).
  1929 г.
  32. Президентская речь сэра Эрнеста Резерфорда на ежегодном собрании Королевского общества 30 ноября 1928 г. (410).
  1931 г.
  33. Выступление в дискуссии по вопросу о сверхпроникающих лучах (431).
  1933 г.
  3d. Превращение лития под действием протонов и ионов тяжелого изотопа водорода (434).
  1937 г.
  35. Современная алхимия (444).
  36. Сорок лет развития физики (479).
  П.Л. Капица. Научная деятельность Резерфорда (495).
  Мои воспоминания о Резерфорде (502).
  Труды Эрнеста Резерфорда. Библиография. (517).

Аннотация издательства: В настоящую, вторую книгу, избранных научных трудов выдающегося физика XX в. Эрнеста Резерфорда, вошли работы по окончательному выяснению природы a-частиц, а также работы по строению и искусственному превращению элементов. Кроме того, приведены тексты ряда выступлений Резерфорда, носящих обзорный характер.
Издание приурочено к 100-летию со дня рождения Э. Резерфорда, так же как и первая книга: Э. Резерфорд. «Избранные научные труды. Радиоактивность», выпущенная издательством «Наука» в 1971 г.
Почти все вошедшие в издание работы на русском языке публикуются впервые.
Книга рассчитана на специалистов-физиков, преподавателей и всех лиц, интересующихся путями развития и историей науки.

30 августа 1871 года родился британский физик новозеландского происхождения, известный как «отец» ядерной физики, также лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года, сэр Эрнест Резерфорд.

Мы решили вспомнить биографию знаменитого ученого и проиллюстрировать ее основные вехи в нашей фотоподборке.

Родился 30 августа 1871 г. в городе Спринг — Броув (Новая Зеландия) в семье шотландских эмигрантов. Отец работал механиком и фермером-льноводом, мать — учительницей. Эрнест был четвёртым из 12 детей Резерфордов и самым талантливым.

Дом в Фоксхилл , где Эрнест провел часть своего детства

«Науки делятся на две группы — на физику и коллекционирование марок»

Уже при окончании начальной школы, как первый ученик, он получил премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования. Благодаря этому Резерфорд поступил в колледж в Нельсоне (Новая Зеландия).

Портрет Резерфорда в 1892 году, когда он был студентом в Кентерберийском колледже

После окончания колледжа юноша сдал экзамены в Кентерберийский университет и здесь серьёзно занялся физикой и химией.

« Если ученый не может объяснить, чем он занимается, уборщице, моющей пол в его лаборатории, значит, он сам не понимает, чем он занимается «

Резерфордом со студентами в Монреале , штат Калифорния. 1899 год

Дж. Дж. Томсон , как и многие выдающиеся профессоры физики в конце 19 века , собрал группу ярких молодых « студентов-исследователей » вокруг себя . Непосредственно среди них находится его протеже Эрнест Резерфорд .

Он участвовал в создании научного студенческого общества и сделал в 1891 г. доклад на тему «Эволюция элементов», где впервые прозвучала идея о том, что атомы — сложные системы, построенные из одних и тех же составных частей.

Ханс Гейгер был у Резерфорда основным партнером в исследовании с 1907 по 1913 год

В период, когда в физике господствовала идея Дж. Дальтона о неделимости атома, эта мысль показалась абсурдной, и молодому Резерфорду даже пришлось извиняться перед коллегами за «явную чепуху».

Эрнест Резерфорд (первый слева в нижнем ряду) с коллегами

Правда, через 12 лет Резерфорд доказал свою правоту. После окончания университета Эрнест стал учителем средней школы, но это занятие было ему явно не по душе. Резерфорду — лучшему выпускнику года — присудили стипендию, и он отправился в Кембридж — научный центр Англии — для продолжения занятий.

Резерфорд (второй слева в верхнем ряду) с одноклассниками в 1896 году

В Кавендишской лаборатории Резерфорд создал передатчик для радиосвязи в радиусе 3 км, но отдал приоритет на его изобретение итальянскому инженеру Г. Маркони, а сам приступил к изучению ионизации газов и воздуха. Учёный заметил, что урановое излучение имеет две составляющие — альфа- и бета-лучи. Это было открытием.

Резерфорд любил хорошую игру в гольф по воскресеньям. Слева-направо: Ральф Фаулер , Ф. У. Астон , Резерфорд , Г. И. Тейлор

В Монреале при изучении активности тория Резерфорд открыл новый газ — радон. В 1902 г. в работе «Причина и природа радиоактивности» учёный впервые высказал мысль о том, что причиной радиоактивности является самопроизвольный переход одних элементов в другие. Он установил, что альфа-частицы заряжены положительно, их масса больше массы атома водорода, а заряд приблизительно равен заряду двух электронов, и это напоминает атомы гелия.

Свадьба Эрнеста и Мэри Резерфорд , 28 июня 1900 г. в Новой Зеландии

В 1903 г. Резерфорд стал членом Лондонского королевского общества, а с 1925 по 1930 г. занимал пост его президента.

Эрнест Резерфорд на Сольвеевском конгрессе 1911 года

В 1904 г. вышел фундаментальный труд учёного «Радиоактивные вещества и их излучения», который стал энциклопедией для физиков-ядерщиков. В 1908 г. Резерфорд стал нобелевским лауреатом за исследования радиоактивных элементов. Руководитель физической лаборатории в Манчестерском университете, Резерфорд создал школу физиков-ядерщиков, своих учеников.

Резерфорд всегда собирал группу ярких молодых талантов вокруг себя. Фото 1910 года

Вместе с ними он занимался исследованием атома ив 1911 г. окончательно пришёл к планетарной модели атома, о чём написал в статье, вышедшей в майском номере «Философского журнала». Модель приняли не сразу, она утвердилась только после её доработки учениками Резерфорда, в частности Н. Бором.

Кокрофт , Резерфорд , и Уолтон в 1932 году

Скульптура молодого Эрнеста Резерфорда. Мемориал в Новой Зеландии

Умер учёный 19 октября 1937 г. в Кембридже. Как и многие великие люди Англии, Эрнест Резерфорд покоится в соборе Святого Павла, в «Уголке науки», рядом с Ньютоном, Фарадеем, Дарённом, Гершелем.

Первая страница статьи Э. Резерфорда в журнале Philosophical Magazine, 6, 21 (1911), в которой впервые водится понятие «атомное ядро».

Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир - субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики.

1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро.

В июньском 1911 г. номере журнала «Philosophical Magazine» была опубликована работа Э. Резерфорда «Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома», в которой впервые было введено понятие «атомное ядро» .
Э.Резерфорд проанализировал результаты работы Г. Гейгера и Э.Марсдена по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге, в которой совершенно неожиданно было обнаружено, что небольшое число α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Этот результат противоречил господствовавшей в то время модели атома Дж. Дж. Томсона, согласно которой атом состоял из отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества равномерно распределенного внутри сферы радиуса R ≈ 10 - 8 см. Для объяснения результатов, полученных Гейгером и Марсденом, Резерфорд разработал модель рассеяния точечного электрического заряда другим точечным зарядом на основе закона Кулона и законов движения Ньютона и получил зависимость вероятности рассеяния α-частиц на угол θ от энергии E налетающей α-частицы

Измеренное Гейгером и Марсденом угловое распределение α-частиц можно было объяснить только в том случае, если предположить, что атом имеет центральный заряд, распределенный в области размером <10 -12 см. Результирующий заряд ядра приблизительно равен Ae/2, где A - вес атома в атомных единицах массы, e - фундаментальная единица заряда. Точность определения величины заряда ядра золота составила ≈ 20%. Так возникла планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален - положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда ядра Z.

В 1910 г. к Резерфорду в лабораторию приехал работать молодой ученый по имени Марсден. Он попросил Резерфорда дать ему какую-нибудь очень простую задачу. Резерфорд поручил ему считать α-частицы, проходящие через материю, и найти их рассеяние. При этом Резерфорд заметил, что по его мнению Марсден ничего заметного не обнаружит. Свои соображения Резерфорд основывал на принятой в то время модели атома Томсона. В соответствии с этой моделью атом представлялся сферой размером 10 -8 см с равнораспределенным положительным зарядом, в которую были вкраплены электроны. Гармонические колебания последних определяли спектры лучеиспускания. Легко показать, что α-частицы должны были легко проходить через такую сферу, и особенного рассеяния их нельзя было ожидать. Всю энергию на пути своего пробега α-частицы тратили на то, чтобы выбрасывать электроны, которые ионизировали окружающие атомы.
Марсден под руководством Гейгера стал делать свои наблюдения и скоро заметил, что большинство α-частиц проходит через материю, но все же существует заметное рассеяние, а некоторые частицы как бы отскакивают назад. Когда это узнал Резерфорд, он сказал:
— Это невозможно. Это так же невозможно, как для пули невозможно отскочить от бумаги.
Эта фраза показывает, как конкретно и образно он видел явление.
Марсден и Гейгер опубликовали свою работу, а Резерфорд сразу решил, что существующее представление об атоме неправильно и его надо в корне пересмотреть.
Изучая закон распределения отразившихся α-частиц, Резерфорд постарался определить, какое распределение поля внутри атома необходимо, чтобы определить закон рассеивания, при котором α-частицы могут даже возвращаться обратно. Он пришел к выводу, что это возможно тогда, когда весь заряд сосредоточен не по всему объему атома, а в центре. Размер этого центра, названного им ядром, очень мал: 10 -12 —10 -13 см в диаметре. Но куда же тогда поместить электроны? Резерфорд решил, что отрицательно заряженные электроны надо распределить кругом — они могут удерживаться благодаря вращению, центробежная сила которого уравновешивает силу притяжения положительного заряда ядра. Следовательно, модель атома есть не что иное, как некая солнечная система, состоящая из ядра — солнца и электронов — планет. Так он создал свою модель атома.
Эта модель встретила полное недоумение, так как она противоречила некоторым тогдашним, казавшимся незыблемыми, основам физики .

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1909-1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена

Г. Гейгер и Э. Марсден увидели, что при прохождении через тонкую фольгу из золота большинство α-частиц, как и ожидалось, пролетает без отклонения, но неожиданно было обнаружено, что часть α-частиц отклоняется на очень большие углы. Некоторые α-частицы рассеивались даже в обратном направлении. Расчеты напряженности электрического поля атомов в моделях Томсона и Резерфорда показывают существенное различие этих моделей. Напряжённость поля положительного заряда распределенного по поверхности атома в случае модели Томсона ~10 13 В/м. В модели Резерфорда положительный заряд, находящийся в центре атома в области R < 10 -12 см создаёт напряженности поля на 8 порядков больше. Только такое сильное электрического поле массивного заряженного тела может отклонить α-частицы на большие углы, в то время как в слабом электрическом поле модели Томсона это было невозможно.

Э. Резерфорд, 1911 г. «Хорошо известно, что α- и β-частицы при столкновении с атомами вещества испытывают отклонение от прямолинейного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у β-частиц нежели у α-частиц, т.к. они обладают значительно меньшими импульсами и энергиями. Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка α- или β-лучей при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества. Однако наблюдения проведенные Гейгером и Марсденом показали, что некоторое количество α-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол больше 90°. Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении создавалось столь большое отклонение».

1911 г. Э. Резерфорд. Атомное ядро

α + 197 Au → α + 197 Au

Эрнест Резерфорд (1891-1937)

Исходя из планетарной модели атома, Резерфорд вывел формулу описывающую рассеяние α-частиц на тонкой фольге из золота, согласующуюся с результатами Гейгера и Марсдена. Резерфорд предполагал, что α-частицы и атомные ядра с которыми они взаимодействуют можно рассматривать как точечные массы и заряды и что между положительно заряженными ядрами и α-частицами действуют только электростатические силы отталкивания и что ядро настолько тяжелое по сравнению с α-частицей, что оно не смещается в процессе взаимодействия. Электроны вращаются вокруг атомного ядра на характерных атомных масштабах ~10-8 см и из-за малой массы не влияют на рассеяние α-частиц.

Вначале Резерфорд получил зависимость угла рассеяния θ α-частицы с энергией E от величины прицельного параметра b столкновения с точечным массивным ядром. b − прицельный параметр − минимальное расстояние на которое α-частица подошла бы к ядру, если бы между ними не действовали силы отталкивания, θ − угол рассеяния α-частицы, Z 1 e − электрический заряд α-частицы, Z 2 e − электрический заряд ядра.
Затем Резерфорд рассчитал, какая доля пучка α-частиц с энергией E рассеивается на угол θ в зависимости от заряда ядра Z 2 e и заряда α-частицы Z 1 e. Так исходя из классических законов Ньютона и Кулона была получена знаменитая формула рассеяния Резерфорда. Основным при получении формулы было предположение, что в атоме находится массивный положительно заряженный центр, размеры которого R < 10 -12 см.

Э. Резерфорд, 1911 г.: «Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями. В то же время экспериментальные данные недостаточно точны, чтобы можно было отрицать возможности существования небольшой части положительного заряда в виде спутников, находящихся на некотором расстоянии от центра … Следует отметить, что найденное приближенное значение центрального заряда атома золота (100e) примерно совпадает с тем значением, который имел бы атом золота, состоящий из 49 атомов гелия, несущих каждый заряд 2e. Быть может, это лишь совпадение, но оно весьма заманчиво с точки зрения испускания радиоактивным веществом атомов гелия, несущих две единицы заряда».

Дж. Дж. Томсон и Э. Резерфорд

Э. Резерфорд, 1921 г.: «Представление о нуклеарном строении атома первоначально возникло из попыток объяснить рассеяние α-частиц на большие углы при прохождении через тонкие слои материи. Так как α частицы обладают большою массою и большою скоростью, то эти значительные отклонения были в высшей степени замечательны; они указывали на существование весьма интенсивных электрически! или магнитных полей внутри атомов. Чтобы объяснить эти результаты, необходимо было предположить, что атом состоит из заряженного массивного ядра, весьма малых размеров по сравнению с обычно принятой величиной диаметра атома. Это положительно заряженное ядро содержит большую часть массы атома и окружено на некотором расстоянии известным образом распределенными отрицательными электронами; число которых равняется общему положительному заряду ядра. При таких условиях вблизи ядра должно существовать весьма интенсивное электрическое поле и α-частицы, при встрече с отдельным атомом проходя вблизи от ядра, отклоняются на значительные углы. Допуская, что электрические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния в области, прилегающей к ядру, автор получил соотношение, связывающее число α-частиц, рассеянных на некоторый угол с зарядом ядра и энергией α-частицы.
Вопрос о том, является ли атомное число элемента действительной мерой его нуклеарного заряда, настолько важен, что для разрешения его должны быть применены все возможные методы. В настоящее время в кавендишевской лаборатории ведется несколько исследований с целью проверки точности этого соотношения. Два наиболее прямых метода основаны на изучения рассеяния быстрых α- и β-лучей. Первый метод применяется Chadwick"oм, пользующимся новыми приемами; последний - Crowthar"oм. Результаты, полученные до сих пор Chadwick"oм, вполне подтверждают тождество атомного числа с нуклеарным зарядом в пределах возможной точности эксперимента, которая у Chadwick"a составляет около 1%».

Несмотря на то, что комбинация двух протонов и двух нейтронов исключительно устойчивое образование, в настоящее время считается, что α-частицы не входит в состав ядра в качестве самостоятельного структурного образования. В случае α-радиоактивных элементов энергия связи α-частицы больше, чем энергия которую необходимо затратить на то, чтобы по отдельности удалить из ядра два протона и два нейтрона, поэтому α-частица может быть испущена из ядра, хотя она не присутствует в ядре как самостоятельное образование.
Предположение Резерфорда о том, что атомное ядро может состоять из какого-то количества атомов гелия или о положительно заряженных спутниках ядра, было вполне естественным объяснением открытой им α радиоактивности. Представления о том, что частицы могут рождаться в результате различных взаимодействий, в это время еще не существовало.
Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 г. и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило наше представление об окружающем мире. Обогатило науку новыми концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры материи.