Ernest Rutherford: biografia, odkrycia i ciekawe fakty

Ernest Rutherford (zdjęcie poniżej), Baron Rutherford Nelson i Cambridge (urodzony 08/30/1871 w Spring Grove w Nowej Zelandii - zmarł w dniu 19.11.1937 w Cambridge w Anglii) - brytyjski fizyk z Nowej Zelandii, uznawany za największego eksperymentatora z czasów Michaela Faradaya (1791-1867). Był centralną postacią w badaniu radioaktywności, a jego koncepcja struktury atomu zdominowała fizykę jądrową. Zdobył Nagrodę Nobla w 1908 roku, był prezesem Towarzystwa Królewskiego (1925-1930) i Brytyjskiego Stowarzyszenia na rzecz Postępu Naukowego (1923). W 1925 roku został przyjęty do Orderu Zasługi, aw 1931 roku otrzymał tytuł Peer, otrzymał tytuł Lorda Nelsona.

Ernest Rutherford: krótka biografia we wczesnych latach życia

Ojciec Ernesta Jamesa w połowie XIX wieku przeniósł swoje dziecko ze Szkocji do Nowej Zelandii, która została niedawno osiedlona przez Europejczyków, gdzie zajmował się rolnictwem. Matka Rutherforda, Martha Thompson, pochodziła z Anglii jako nastolatek i pracowała jako nauczycielka, dopóki nie wyszła za mąż i miała dziesięcioro dzieci, z których Ernest był czwartym (i drugim synem).

Ernest studiował w ogólnodostępnych szkołach publicznych do 1886 roku, kiedy zdobył stypendium na studia w Nelson Private High School. Utalentowany uczeń celował w prawie każdym temacie, ale przede wszystkim w matematyce. Kolejne stypendium pomogło Rutherfordowi zapisać się w 1890 roku do Canterbury College, jednego z czterech kampusów Uniwersytetu Nowej Zelandii. Była to mała instytucja edukacyjna, zatrudniająca zaledwie ośmiu nauczycieli, ale było tam mniej niż 300 studentów, młody talent był na tyle szczęśliwy, że miał znakomitych nauczycieli, którzy zainspirowali jego zainteresowanie badaniami naukowymi, popartymi wiarygodnymi dowodami.

Po ukończeniu trzyletniego kursu Ernest Rutherford został kawalerem i zdobył stypendium na rok studiów w Canterbury Graduate School. Ukończenie go pod koniec 1893 roku otrzymał tytuł magistra - pierwszy stopień z fizyki, matematyki i fizyki matematycznej. Został poproszony o pozostanie na kolejny rok w Christchurch na niezależne eksperymenty. Badania Rutherford nad zdolnością wyładowania elektrycznego o wysokiej częstotliwości, na przykład z kondensatora, do namagnesowania żelaza pod koniec 1894 r. Przyniosły mu tytuł licencjata z nauk ścisłych. W tym okresie zakochał się w Mary Newton, córce kobiety, w której domu osiadł. Pobrali się w 1900 r. W 1895 r. Rutherford otrzymał stypendium imienne na Światowe Targi w 1851 r. W Londynie. Zdecydował się kontynuować badania w Cavendish Laboratory, które JJ Thomson, czołowy europejski ekspert w dziedzinie promieniowania elektromagnetycznego, udał się w 1884 roku.

Cambridge

W uznaniu rosnącego znaczenia nauki Uniwersytet Cambridge zmienił zasady, umożliwiając absolwentom innych uczelni otrzymanie dyplomu po dwóch latach studiów i wykonujących zadowalającą pracę naukową. Pierwszym badaczem był Rutherford. Ernest, oprócz wykazania namagnesowania przez oscylacyjne wyładowanie żelaza, odkrył, że igła traci część swojego namagnesowania w polu magnetycznym wytworzonym przez prąd zmienny. Umożliwiło to stworzenie detektora nowo odkrytych fal elektromagnetycznych. W 1864 roku szkocki fizyk teoretyczny James Clerk Maxwell przewidział ich istnienie, aw latach 1885-1889. Niemiecki fizyk Heinrich Hertz odkrył je w swoim laboratorium. Urządzenie do wykrywania fal radiowych Rutherford było prostsze i miało potencjał komercyjny. W następnym roku młody naukowiec spędził w laboratorium Cavendish, zwiększając zasięg i czułość urządzenia, które mogło odbierać sygnały z odległości pół mili. Jednak Rutherford nie miał wizji międzykontynentalnej i umiejętności przedsiębiorczych włoskiego Guglielmo Marconiego, który wynalazł bezprzewodowy telegraf w 1896 roku.

Badania jonizacji

Zdjęcia rentgenowskie zostały odkryte w Niemczech przez Wilhelma Conrada Roentgena zaledwie kilka miesięcy po pojawieniu się Rutherford w Cavendish. Wszyscy byli bardzo zainteresowani możliwością robienia zdjęć kościom żywej osoby. Naukowcy chcieli dowiedzieć się więcej o właściwościach cudownych promieni i tym, czym są, a Rutherford był jednym z ciekawskich. Ernest nie mógł odmówić honorowego zaproszenia Thomsona do udziału w badaniu, w jaki sposób promienie rentgenowskie zmieniają przewodność gazów. Rezultatem była klasyczna praca nad jonizacją - rozdzielenie atomów lub cząsteczek na części dodatnie i ujemne (jony) oraz przyciąganie naładowanych cząstek do elektrod o przeciwnej polaryzacji.

Badania radiacyjne

Następnie Thomson zaczął badać stosunek ładunku do masy najbardziej powszechnego jonu, który później stał się znany jako elektron, podczas gdy Rutherford badał inne rodzaje promieniowania, które wytwarzało jony. Zwrócił się do ultrafioletu, a następnie do promieniowania emitowanego przez uran, które po raz pierwszy odkrył w 1896 r. Francuski fizyk Henri Becquerel. Umieszczenie uranu w pobliżu cienkiej folii pozwoliło Rutherfordowi zrozumieć, że promieniowanie było bardziej skomplikowane niż wcześniej sądzono: jeden z jego gatunków był łatwo wchłaniany lub blokowany przez bardzo cienką warstwę metalu, ale drugi często przenikał przez niego. Dla uproszczenia nazwał te typy promieniowanie "alfa" i "beta" odpowiednio. Później stwierdzono, że cząstki α odpowiadają jądrowemu atomowi helu i składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów, podczas gdy cząsteczki β są elektronem lub jego pozytywnym wariantem pozytonem. W ciągu następnych kilku lat badania nad tym promieniowaniem były przedmiotem szczególnego zainteresowania, a następnie uwaga naukowców przeniosła się na pierwiastki promieniotwórcze.

Uniwersytet McGill

Jak kontynuowano życie i karierę takiego naukowca jak Ernest Rutherford? Biografia Fizyka mówi, że wkrótce zaproponowano mu profesora na kanadyjskim Uniwersytecie McGill w Montrealu, który mógł pochwalić się jednym z najlepiej wyposażonych laboratoriów na zachodniej półkuli. Skupiając swoją uwagę na jednym z kilku znanych wtedy pierwiastki promieniotwórcze on i jego kolega odkryli, że tor uwalnia gazowy produkt, który naukowiec nazwał "emanacją". On z kolei pozostawił stałe osady, które wkrótce przekształciły się w tor A, B, C itd. Ciekawe, że po obróbce chemicznej niektóre substancje straciły swoje właściwości radioaktywne, ale ostatecznie odzyskały je, podczas gdy inne materiały, początkowo silne, stopniowo traciły aktywność. Doprowadziło to do koncepcji okresu półtrwania - przedziału czasu wymaganego do rozpadu połowy jąder atomowych próbki, w zakresie od kilku sekund do miliardów lat, unikalnych dla każdego pierwiastka promieniotwórczego, a zatem doskonałego sposobu ich identyfikowania.

Teoria transformacji

Rutherford potrzebował pomocy eksperta od chemii, aby poradzić sobie z rosnącą liczbą pierwiastków promieniotwórczych. Narysował Fredericka Soddy'ego z McGill, Bertrama Bordena Boltwooda, profesora Uniwersytetu Yale i Otto Hahna, naukowca z Niemiec. Od Soddy w latach 1902-1903 Opracował teorię transformacji wyjaśniającą zjawisko radioaktywności. Alchemia, której próby przekształcenia ołowiu w złoto, od dawna została wyrzucona ze współczesnej chemii. Atomy zostały uznane za stabilne. Ale Rutherford i Soddy twierdzili, że energia promieniotwórczości pochodzi od nich, a spontaniczna emisja cząstek α ​​lub β oznacza chemiczną transformację jednego elementu w drugi. Spodziewali się, że ta teoria ikonoklastyczna zostanie odrzucona, ale autorytet wielu dowodów eksperymentalnych stłumił opozycję.

Wkrótce stwierdzono, że pierwiastki promieniotwórcze są podzielone na trzy rzędy, na czele z uranem, torem i aktynem, a wszystkie z nich prowadzą do powstania nieaktywnego ołowiu. Boltwood umieścił rad w grupie uranu i, zgodnie z radą Rutherforda, użył powoli wzrastającej ilości ołowiu w minerale, aby pokazać, że skały mają miliardy lat. Ci ostatni wierzyli, że cząstka alfa o namacalnej masie odgrywa kluczową rolę w transformacji pierwiastków. Ustalił, że niesie on ładunek dodatni, ale nie mógł ustalić, czy jest to jon wodorowy czy helowy.

Żonaty i sławny

W McGill, Ernest Rutherford (zdjęcie w artykule) poślubił swoją ukochaną z Nowej Zelandii i stał się sławny. Zaprosił wielu studentów do swojego laboratorium, w tym kobiet, kiedy bardzo niewiele kobiet zajmowało się nauką. Fizyk Ernest Rutherford był popularnym wykładowcą i autorem artykułów z gazet i czasopism. W 1904 r. Napisał także wiodący podręcznik o radioaktywności. Miał nagrody, członkostwo w Royal Society of London i nieuniknione oferty współpracy.

University of Manchester

W Ameryce Północnej istniała dobra społeczność naukowa, ale światowe centrum fizyki było w Europie. Ernest Rutherford, Nagroda Nobla w dziedzinie chemii, która została nagrodzona za pracę w Montrealu w 1908 roku, dostała pracę w wydziale Uniwersytetu w Manchesterze, którego laboratorium było na drugim miejscu po Cavendish.

Wraz z niemieckim fizykiem, Hansem Geigerem, Ernest Rutherford stworzył elektryczny licznik zjonizowanych cząstek. Wzmocniony przez Geigera, miernik stał się uniwersalnym przyrządem do pomiaru radioaktywności. Dzięki umiejętnościom dmuchaczy szkła Rutherford i jego uczeń Thomas Royds zidentyfikowali cząsteczki α i przeprowadzili analizę spektrofotometryczną, która wykazała, że ​​są jonami helu. Następnie Boltwood odwiedził laboratorium Uniwersytetu w Manchesterze i razem z fizykiem nowozelandzkim określili szybkość tworzenia helu z radu, z którego obliczyli dokładną wartość Numery Avogadro.

Nie opuszczając od dawna fascynacji cząstkami alfa, Rutherford badał ich małe rozproszenie po interakcji z folią. Geiger dołączył do niego i otrzymali bardziej znaczące dane. W 1909 roku, gdy Ernest Marsden szukał tematu do swojego projektu badawczego, Ernest zaprosił go do zbadania dużych kątów rozpraszania. Marsden odkrył, że niewielka liczba cząstek α ​​zboczyła o więcej niż 90 ° w stosunku do ich oryginalnego kierunku, co skłoniło Rutherforda do wykrzyknięcia, że ​​jest prawie tak niewiarygodne, jak gdyby 15-calowy pocisk wystrzelony w arkusz bibuły odbiłby się i uderzył strzelca.

Model atomu

Zastanawiając się nad tym, jak taka ciężka naładowana cząstka może zostać odbita przez przyciąganie lub odpychanie elektrostatyczne pod tak dużym kątem, w 1944 r. Rutherford doszedł do wniosku, że atom nie może być jednorodnym ciałem stałym. Jego zdaniem składał się on głównie z pustej przestrzeni i małego jądra, w którym skupiała się cała jego masa. Model atomowy Rutherforda Ernesta został potwierdzony licznymi dowodami eksperymentalnymi. Stała się jego największym wkładem naukowym, ale poza Manchesterem nie zwracała na nią większej uwagi. W 1913 roku duński fizyk Niels Bohr pokazał jednak znaczenie tego odkrycia. Rok wcześniej odwiedził laboratorium Rutherforda i powrócił do niego jako członek wydziału w latach 1914-1916. Jak wyjaśnił, promieniotwórczość znajduje się w jądrze, a właściwości chemiczne są określane przez elektrony orbitalne. Model atomu Bohra dała początek nowej koncepcji kwantów (lub dyskretnych wartości energii) w elektrodynamice orbit, a on wyjaśnił linie widmowe jako uwolnienie lub absorpcję energii przez elektrony, gdy przemieszczają się one z jednej orbity na drugą. Henry Mosley, inny z wielu studentów Rutherforda, tłumaczył w podobny sposób kolejność spektrum promieniowania rentgenowskiego pierwiastków przez ładunek jądrowy. W ten sposób opracowano nowy spójny obraz fizyki atomu.

Okręty podwodne i reakcja jądrowa

Pierwsza wojna światowa zniszczyła laboratorium prowadzone przez Ernesta Rutherforda. Interesujące fakty z życia fizyka w tym okresie dotyczą jego udziału w rozwoju środków do zwalczania okrętów podwodnych, a także członkostwa w Radzie Admiralicji Wynalazków i Badań Naukowych. Kiedy poświęcił czas na powrót do swojej poprzedniej pracy naukowej, zaczął badać zderzenia cząstek alfa z gazami. W przypadku wodoru, zgodnie z oczekiwaniami, detektor odnotował powstawanie pojedynczych protonów. Ale powstały również protony podczas bombardowania atomów azotu. W 1919 roku Ernest Rutherford odkrył to odkrycie za pomocą innego: udało mu się sztucznie wywołać reakcję jądrową w stabilnym elemencie.

Wróć do Cambridge

Reakcje jądrowe zajmowały naukowca przez całą jego karierę, co miało miejsce ponownie w Cambridge, gdzie w 1919 roku następca Thomsona został dyrektorem laboratorium Cavendish University i stał się Rutherford. Ernest przywiózł tu swojego kolegę z Uniwersytetu w Manchesterze - fizyka Jamesa Chadwicka. Razem zbombardowali cząstki alfa szeregiem lekkich pierwiastków i spowodowali przemiany jądrowe. Ale nie mogły przeniknąć do cięższych jąder, ponieważ cząstki α zostały od nich odparte z powodu tego samego ładunku, a naukowcy nie byli w stanie określić, czy zdarzyło się to osobno, czy razem z celem. W obu przypadkach wymagana była bardziej zaawansowana technologia.

Wyższe energie w akceleratorach cząstek potrzebne do rozwiązania pierwszego problemu stały się dostępne pod koniec lat dwudziestych. W 1932 r. Dwaj studenci Rutherforda - Anglik John Cockroft i Irlandczyk Ernest Walton - byli pierwszymi, którzy doprowadzili do transformacji nuklearnej. Za pomocą liniowego akceleratora wysokiego napięcia bombardowali litem protony i podzielili je na dwie cząstki α. Za tę pracę otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 1951 roku. Szkot Charles Wilson w Cavendish stworzył mglisty aparat fotograficzny, który dał wizualne potwierdzenie trajektorii naładowanych cząstek, za co otrzymał tę samą prestiżową międzynarodową nagrodę w 1927 roku. W 1924 roku angielski fizyk Patrick Blackkett zmodyfikował kamerę Wilsona, aby sfotografować około 400 000 zderzeń alfa i okazało się, że większość z nich była zwykłą elastyczną, a 8 towarzyszyło zaniku, w którym cząstka α została wchłonięta przez docelowe jądro przed podzieleniem na dwa fragmenty. Był to ważny krok w zrozumieniu reakcji nuklearnych, za które Blackett otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1948 roku.

Odkrycie neutronów i synteza termojądrowa

Cavendish stał się miejscem innych interesujących dzieł. Istnienie neutronu było przewidziane przez Rutherforda w 1920 roku. Po długich poszukiwaniach, w roku 1932, Chadwick odkrył tę neutralną cząstkę, udowadniając, że jądro składa się z neutronów i protonów, a jego kolega, angielski fizyk Norman Feder, wkrótce wykazał, że neutrony mogą powodować reakcje jądrowe łatwiej niż naładowane cząstki. Praca z prezentem niedawno otwarty w USA ciężka woda w 1934 r. Rutherford, Mark Oliphant z Australii i Paul Hartek z Austrii przeprowadzili bombardowanie deuterem deuteronami i przeprowadzili pierwszą termojądrową syntezę jądrową.

Życie poza fizyką

Naukowiec miał kilka zainteresowań, które nie są związane z nauką, w tym golfem i wyścigami samochodowymi. Krótko mówiąc, Ernest Rutherford był zwolennikiem liberalnych przekonań, ale nie działał politycznie, chociaż był przewodniczącym rady ekspertów rządowego Departamentu Badań Naukowych i Przemysłowych i był prezydentem (od 1933 r.) Rady Pomocy Akademickiej, stworzonej, by pomagać naukowcom, którzy uciekli z nazistowskich Niemiec. W 1931 r. Został rówieśnikiem, ale to wydarzenie zostało przyćmione śmiercią jego córki, która zmarła osiem dni wcześniej. Wybitny naukowiec zmarł w Cambridge po krótkiej chorobie i został pochowany w Opactwie Westminsterskim.

Ernest Rutherford: interesujące fakty

• Studiował w College of Canterbury University w Nowej Zelandii na stypendium, otrzymał tytuł licencjata i magistra, a także spędził dwa lata rozwijając prace, które doprowadziły do ​​wynalezienia nowego typu odbiornika radiowego.
• Ernest Rutherford był pierwszym absolwentem Cambridge, któremu pozwolono prowadzić badania w Cavendish Laboratory pod kierunkiem Sir J. J. Thomsona.
• W czasie I wojny światowej zajmował się rozwiązywaniem praktycznych problemów związanych z wykrywaniem łodzi podwodnych.
• Na Uniwersytecie McGill w Kanadzie Ernest Rutherford, wraz z chemikiem Frederickiem Soddy, stworzył teorię rozpadu atomowego.
• Na University of Victoria w Manchesterze, on i Thomas Royds udowodnili, że promieniowanie alfa składa się z jonów helu.
• Badania Rutherforda nad rozkładem pierwiastków i substancji radioaktywnych przyniosły mu Nagrodę Nobla w 1908 roku.
• Jego najbardziej znany eksperyment Geiger - Marsden, który zademonstrował atomowy charakter atomu, fizyk przeprowadzony po otrzymaniu nagrody Akademii Szwedzkiej.
• 104-ty pierwiastek chemiczny nosi jego imię - rutherford, który w ZSRR i Federacji Rosyjskiej do 1997 roku. nazywał się Kurchatoviy.