Рэзерфорд Эрнест

Рэзерфорд (Rutherford), Эрнест, впоследствии лорд Резерфорд, английский ученый (1871— 1937), прославившийся опытами изучения радиоактивных процессов и строения атома. Родился в деревне Брайтуотер (Новая Зеландия) в семье мелкого фермера четвертым ребенком из 12. Резерфорд учился на стипендии и кончил небольшой университет в г. Крайстчерч. Склонность к научному творчеству проявилась у Резерфорда еще в университете, где в организованном студентами маленьком научном обществе он сделал доклад «Об эволюции материи». Содержавшееся в докладе революционное для того времени утверждение, что все атомы состоят из одних и тех же составных частей, было встречено недоброжелательно, т. к. со времен Дальтона атом рассматривался как  нечто незыблемое. Показательна смелость Резерфорда, высказавшего мысли, правильность которых он доказал через 12 лет. В тот же период  Резерфорд заинтересовался вопросами использования радиоволн для беспроволочного телеграфа и в  1892 г. был одним из первых, доказавших возможность осуществления радиопередачи. За эту работу Резерфорд получил стипендию, на которую поехал в 1895 г. в Кэвендишскую лабораторию при Кембриджском университете продолжать свою научную работу. До этого года в исследовательских лабораториях Кембриджа не могли работать студенты, окончившие другие университеты. Резерфорд был одним из первых, кто воспользовался изменением этого порядка, предпринятым по инициативе профессор Дж. Дж. Томсона (см.). Под руководством последнего Резерфорд изучает процессы ионизации газов. Ими было установлено такое явление, как ток насыщения при ионизации. Эту работу, опубликованную в 1896 г., можно считать основной по данному вопросу.

Резерфорд увлекается открытым в этом же году Беккерелем явлением радиоактивности и начинает его изучать. В дальнейшем все самые крупные работы Резерфорда сосредоточиваются около вопросов атомного ядра, теория которого выросла из явлений радиоактивности и теперь представляет самостоятельную область физики, называющуюся физикой ядра. В самом начале своей работы Резерфорд показал, что излучение радиоактивного вещества — сложный процесс, в котором главная энергия несется частицами (корпускулами). Он первый показал, что радий испускает два рода лучей, разнящихся по своей способности проникать через материю (он назвал их α-лучи и β-лучи). Уже в этих работах Резерфорд проявляет себя исследователем, для которого изучение явления, анализ его, является основным мотивом для эксперимента. Постановка эксперимента, точность и сложность измерений должны быть таковы, чтобы разобраться в явлении и понять его суть.

Резерфорд в самом начале своих опытов показал, что испускаемые радием α-частицы являются не обычным лучеиспусканием. Он пришел к необходимости определить массу α-частицы, чтобы увидеть, какому из существующих элементов она соответствуем. Поставленный для выяснения этого эксперимент очень характерен для Резерфорда, поражая своей простотой и тем, как прямо он вел к цели.

Рис.1.

На рис. 1 изображен прибор для этих опытов. Простой электроскоп Q, сделанный из лепестков золотой фольги, помещен над двадцатью параллельно поставленными металлическими пластинками А. Зазор между пластинками — только 1 мм, чтобы α-лучи, испускаемые радиоактивной солью В (положенной на дне), проходили в камеру электроскопа параллельным пучком. Чтобы удалять эманацию и увеличивать пробег α-лучей, через прибор пропускался водород.

Прикладывая сильное магнитное поле, направленное параллельно плоскостям пластинок А, можно было почти полностью прекратить ионизацию в камере электроскопа. Таким простым способом Резерфорд показал, что α-лучи представляют собой быстро двигающиеся заряженные частицы. Прикрывая со стороны электроскопа половину зазоров между пластинами, можно было показать, что при одном направлении магнитного поля ионизация прекращается при меньших силах поля, чем при другом направлении.

Так было установлено направление отклонения α-лучей магнитным полем, и отсюда выведено, что знак заряда α-частиц положителен. Создавая между пластинками А электрическое поле, поочередно присоединяя их к противоположным полюсам батареи, Резерфорду удалось получить прекращение ионизации и отклонение α-лучей электрическим полем. Из этих данных он определил скорость α-лучей и показал также, что они представляют поток положительно заряженных атомов с большей массой, чем атомы водорода, и с точностью до 10% определил отношение их заряда к массе. Это отношение указывало на то, что α-частицы, по-видимому, соответствуют атомам гелия, дважды ионизированным.

Выдающиеся работы, выполненные Резерфордом за 2 года пребывания в Кэвендишской лаборатории, приводят его к руководству кафедрой физики в университете Монтреола (Канада). Здесь (1897—1907) Резерфорд и создает вместе с Фр. Содди теорию радиоактивного распада (см. радиоактивность, XXXV, 339 сл.), за которую в 1908 г. получает Нобелевскую премию. Высказанные Резерфордом взгляды были тогда настолько революционны, что даже очень крупные ученые их не разделяли. Кельвин так и умер, не согласившись с тем, что радиоактивность есть распад атомов элементов, которые он считал незыблемой основой строения материи. В 1907 г. Резерфорд получает кафедру в университете в Манчестере (Англия). Здесь он располагает большими по тому времени запасами радия и завершает прежние работы, доказывая, что α-лучи есть действительно атомы гелия.

Рис. 2.

Прибор, примененный им для этих опытов, тоже чрезвычайно прост. Он изображен на рис. 2. В маленькую тонкостенную стеклянную трубочку А помещалась эманация радия. Толщина стенок этой трубки была только 0,01 мм и быстрые α-лучи могли проходить через стекло, в то время как эманация была изолирована. Эта трубка помещалась в стеклянный сосуд В, оканчивающийся капиллярной разрядной трубочкой с электродами С и D. Посредством поднятия и опускания ртути в сосуде В в пространстве, окружающем трубочку, создавался вакуум. Трубочка с эманацией оставалась в приборе в продолжение двух дней, а потом газ, образованный проходящими α-частицами, сжимался поднятием ртути в разрядную трубку. При свечении трубки были видны желтые гелиевые линии, которые доказывали присутствие гелия. Что этот гелий не продиффундировал из трубочки с эманацией, легко показывалось контрольным опытом, при котором эта трубка наполнялась гелием. Тогда гелиевые линии не появлялись в спектре.

Резерфорд не удовлетворяло изучение α-лучей, но наблюдению ионизации от многих α-частиц и он искал метод, каким он мог бы обнаружить индивидуальные α-частицы. Первый метод был найден в наблюдении сцинтилляций (вспышек). Еще Крукс заметил, что под влиянием бомбардировки положительными лучами некоторые вещества светятся — люминесцируют. Наиболее ярко светящимся веществом оказалась цинковая обманка (ср. спинтарископ, XLI, ч. 4, 159). Когда Резерфорд, вместе с Гейгером, поместил цинковую обманку под микроскоп и направил на нее пучок α-лучей, то вместо того, чтобы увидеть в поле зрения микроскопа ровный светящийся фон, они увидели отдельные вспыхивающие точки. Они заключили, что вспышки происходят в тех местах, где α-лучи ударяют о цинковую обманку. Так можно было определить число испускаемых α-частиц по счету вспышек, производимых в цинковой обманке (см. люминесценция, XXVII, 537/38). Другой способ обнаружения α-частиц, открытый Резерфордом благодаря изобретению усилительных ламп, стал теперь еще более могущественным, чем счет сцинтилляций, — это метод счетчика. Этот метод основан на явлении, открытом Таунсендом (см. LII, 62). Если в газе при пониженном давлении находится острие, то можно подобрать такой потенциал, при котором не возникает заряд. Если теперь в окружающем газе произвести даже самую слабую ионизацию хотя бы одной α-частицы, то разряд сразу возникнет на некоторый промежуток времени. В 1908 г. Резерфорд и Гейгер построили первый счетчик, работающий на этом принципе. Теперь добавление к такому счетчику лампового усилителя делает его чрезвычайно чувствительным. В современном своем виде он является одним из самых основных приборов, посредством которых только и стало возможным полное изучение космической радиации.

Имея возможность считать α-лучи, Резерфорд начал изучать закон распределения отражающихся α-частиц. Стремясь выяснить, какое распределение поля внутри атома необходимо, чтобы определить закон рассеивания, при котором α-частицы могут даже возвращаться, Резерфорд 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 — от 10^-12 до 10^-13 см в диаметре. Отправляясь от этого, Резерфорд в 1911 г. создал модель атома, но которой атом всякого вещества представляется как бы подобием солнечной системы: в центре — положительно заряженное весомое ядро, окруженное двигающимися по определенным орбитам отрицательными электронами. Эта модель в 1913 г. легла в основу созданной Нильсом Бором теории атома и спектров. Теперь эти взгляды являются той основой, на которой развивается вся современная атомная физика (ср. электронная теория, LII, 199).

По выходе в отставку своего учителя Дж. Дж. Томсона, Резерфорд в 1919 г. становится директором Кэвендишской лаборатории, которым и остается до конца своей жизни. В этом же году Резерфорду удается показать, что, кроме спонтанного, можно вызвать  и искусственное разложение вещества, происходящее при столкновениях быстрых α-частиц с ядрами атомов. В исходных работах Резерфорда по дезинтеграции вещества особенно ярко проявились его исключительная наблюдательность, уменье обобщить явление, выяснить самое важное, самое нужное. Когда наблюдали сцинтилляции, то часто оказывалось, что из бомбардируемого вещества вылетают лучи с очень длинным пробегом — гораздо более длинным, чем пробег бомбардирующих частиц. О странном факте часто говорили, но никто не задавал себе вопроса: «почему это так?». Резерфорд задался этим вопросом и вскоре нашел объяснение. Оказалось, что под влиянием бомбардировки α-лучами атомы азота, всегда присутствующего в воздухе, распадаются. Этим и объясняются длинные пробеги.

Рис. 3.

Резерфорд поставил свои опыты с неизменно им присущей простотой. Его прибор изображен на рис. 3 и 4. Герметическую камеру А через два крана можно заполнить газом при различных давлениях. D — источник α-лучей; В — экран, на котором наблюдают сцинтилляции с помощью микроскопа М (рис. 4). Экран со стороны источника α-лучей покрыт серебряной пластинкой, которая поглощает значительную часть энергии их пробега. Наполняя камеру А азотом, Резерфорд наблюдал, что при некотором давлении большинство сцинтилляций пропадает. Это происходит тогда, когда α-лучи, испускаемые радиоактивным источником, тратят всю энергию на ионизацию воздуха и не доходят до экрана. Но остающиеся сцинтилляции указывали на присутствие очень малого количества α-лучей с пробегом в несколько раз большим, чем испускалось источником. Если вместо азота взять другой газ, например, углекислоту или кислород, то таких остаточных сцинтилляций не появляется. Единственное объяснение в том, что они появляются из азота. Так как энергия остаточных α-лучей больше, чем первичных, то они могут появляться только за счет разложения ядра атома азота (ср. LII, 206/08).

Так было доказано разложение азота. Это принципиально решало старинную проблему превращения одних элементов в другие, и в последней своей лекции Резерфорд справедливо назвал эту чрезвычайно развившуюся область знания, открытую его работами, «новейшей алхимией».

Рис. 4.

Резерфорд создал большую школу ученых, работающих в области радиоактивности. Когда он был еще совсем молодым и работал в Канаде, к нему уже съезжались работать ученые с других концов света (Ган и др.). Когда же он переехал в Манчестер, его окружила целая плеяда учеников; среди них были Бор, Гейгер, Марсден, Мозли, Дарвин, Чедвик, Робертсон и др. Из его учеников кэмбриджского периода можно назвать Кокрофта, Олифанта, Блеккета, Чедвика, Эллиса, Гендерсона, Капицу и др. Человек с таким колоссальным научным энтузиазмом и глубоким пониманием предмета, как Резерфорд, не мог не быть большим учителем. В свою очередь он говорил: «Ученики заставляют меня самого оставаться молодым». Работы Резерфорда получили общее признание; он был членом большинства академий мира, в том числе почетным членом Академии Наук СССР.

Главные труды Резерфорда: «Radioactive substances and their Radiations», Cambridge, [Eng.], 1913; Rutherford Е. совместно с Chadwick J. and Ellis С. D., «Radiations from Radioactive substances», Cambridge, [Eng.], 1930; «The newer alchemy», N.-Y. — Cambridge, [Eng.], 1937; Rutherford Е. and Soddy F., Phil. Mag. (6) 4, 370, 569, 1902; Rutherford E., Phil. Mag. 37, 581, 1919; Rutherford Е., Phil. Mag. 49, 1900.

П. Капица.