Эрнест Резерфорд

После того как Мария и Пьер Кюри систематически исследовали радиоактивные вещества, а благодаря открытию Томсоном электрона появились первые научно обоснованные представления о строении атома, результаты работ Эрнеста Резерфорда привели к более глубокому пониманию строения атома. Резерфорд¹¹ в 1903 г. объяснил сущность радиоактивности, в 1911 г. разработал новую атомную модель и первым в 1919 г. осуществил искусственное превращение химических элементов. Его научные достижения были отмечены в 1908 г. Нобелевской премией по химии.

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 г. вблизи города Нелсон (Новая Зеландия) в семье переселенца из Шотландии¹². Отец будущего ученого организовал там деревообрабатывающее предприятие. Под руководством отца Эрнест Резерфорд получил хорошую подготовку для работы в мастерской, что впоследствии помогло ему при конструировании и постройке научной аппаратуры.

Эрнест Резерфорд (1871-1937)

Резерфорд был образцовым учеником, который в школе всегда лучше всех решал задачи. Он поступил в университет в Нелсоне, но в 1895 г. вернулся на родину своих дедов - в Англию - и закончил обучение в Кембриджском университете. В Кембридже учителем Резерфорда был выдающийся физик Дж. Дж. Томсон, в лаборатории которого Резерфорд предпринял свои исследования радиоактивности и рентгеновских лучей. В 1898 г. Резерфорд стал профессором-исследователем в Макгильском университете - г. Монреаль (Канада), где он мог заниматься главным образом научной работой и где ему удалось в сотрудничестве с Ф. Содди объяснить природу радиоактивности.

Резерфорд обладал способностью выявлять наиболее важные проблемы своей науки, делая предметом исследования еще неизвестные связи в природе. Ученики Резерфорда, восхищаясь его необычайным творческим способом мышления, вспоминали, как он с удовольствием говорил перед началом каждого нового исследования: "Надеюсь, что это важная тема, поскольку существует еще так много вещей, которых мы не знаем" [101, с. 134].

Хотя Резерфорда при проведении его весьма трудоемких экспериментов довольно часто одолевало удрученное настроение и при всех усилиях он не получал достаточных средств для постройки необходимых приборов, тем не менее он продолжал работать в Монреале долгое время. Много необходимой для опытов аппаратуры Резерфорд построил собственными руками. В то время власть имущие еще неохотно финансировали фундаментальные исследования. Они поддерживали университеты, только поскольку проводимые там исследования обещали непосредственную практическую выгоду. В 1907 г. Э. Резерфорд принял приглашение университета в Манчестере и вернулся в Англию. К этому времени он был уже ученым с мировым именем. В 1919 г. Резерфорд стал преемником своего бывшего учителя Дж. Дж. Томсона в руководстве знаменитым Институтом имени Кавендиша в Кембридже. Здесь з Англии Э. Резерфорд начал подводить итоги своим работам и обобщать соображения о строении атома. Результатом этого явилась предложенная Резерфордом модель атома, названная впоследствии его именем, "в соответствии с которой атом можно представить построенным таким образом, что вся его масса и положительный заряд сосредоточены внутри атома, в так называемом атомном ядре". В 1919 г. Резерфорду удалось осуществить первую искусственную ядерную реакцию.

Сделанные им сообщения об этой работе во многих странах, были очень высоко оценены учеными. Однако началась первая мировая война, и Резерфорду сразу же пришлось прервать исследования. Английское правительство назначило его членом "адмиральского штаба изобретений и исследований" - организации, созданной для изыскания средств борьбы с подводными,лодками противника. В лаборатории Э. Резерфорда в связи с этим начались исследования распространения звука под водой, чтобы дать теоретическое обоснование для определения местонахождения подводных лодок.

Фредерик Содди (1877-1956); в 1903 г. вместе с Э. Резерфордом открыл превращение эманации радия в гелий; лауреат Нобелевской премии по химии 1921 г.

Позднее всемирно известный ученый принял еще более активное участие в политической жизни Англии. Он получил звание лорда и стал членом палаты лордов английского парламента. Одновременно Резерфорд председательствовал в Совете Государственного департамента по научным и промышленным исследованиям.

Выполняя эти обязанности, Резерфорд обнаружил, что капиталистические круги Англии стали уделять больше внимания фундаментальным исследованиям, поскольку они поняли, что именно уровень фундаментальных исследований сегодня может определять масштаб производства промышленных товаров завтра. Резерфорд стремился к тому, чтобы научным подходом к выполнению всех порученных ему задач способствовать умножению славы его родины. Он постоянно и с большим успехом доказывал в авторитетных органах необходимость всемерной государственной поддержки науки и проведения исследовательской работы. Будучи строжайшим цензором для самого себя, Резерфорд неустанно отшлифовывал статьи и доклады, прежде чем опубликовать их. В ста пятидесяти оригинальных работах был отражен громадный вклад Резерфорда в развитие науки.

Резерфорд скончался 20 октября 1937 г. В признание выдающихся заслуг в развитии науки ученый был похоронен в Вестминстерском аббатстве.

Результаты исследований Резерфорда привели к существенным изменениям в естествознании и мировоззренческих концепциях. Исследуя вместе с Содди радиоактивное излучение, Резерфорд обнаружил, что испускаемые радием материальные частицы, α-лучи, являются ядрами атома гелия. В дальнейшем ученый установил, что последующим радиоактивным продуктом распада радия является радон. Вскоре стало известно, что радиоактивные атомы испускают также и γ-лучи. Резерфорд и Ф. Содди установили ряды радиоактивного распада урана, тория и актиния.

Резерфорд в отличие от некоторых других ученых был убежден в существовании атомов и объяснял радиоактивность элементов как самопроизвольный распад их атомов. В то же время он Значительно расширил существовавшее ранее представление об атоме как о неизменном "кирпичике" материи. Введенное еще Дальтоном представление об атоме явилось важной теоретической основой Периодической системы элементов, как это установили Д. И. Менделеев и Л. Мейер. Многие химики объяснение природы радиоактивности приняли вначале с оговорками и не полностью. Так, Д. И. Менделеев, который с радиоактивными явлениями и с теорией радиоактивности ознакомился еще в 1902 г. в лаборатории Марии и Пьера Кюри, так и не принял отстаивавшуюся ими механическую трактовку представления об атоме. В начале XX в. Д. И. Менделеев писал: "Я вовсе не склонен (на основании суровой, но плодотворной дисциплины индукционных знаний) признавать даже гипотетическую превращаемость элементов друг в друга и не вижу никакой возможности происхождения аргоновых или радиоактивных веществ из урана или обратно" [102, с. 523].

Он пытался объяснить радиоактивность на основании представлений о химическом эфире¹³.

Вначале в новом объяснении природы радиоактивности ученые видели угрозу периодическому закону. Лишь позднее, когда строение атома было изучено глубже, они поняли, что новое представление об атоме послужило лишь укреплению этого закона и дало ему более правильное теоретическое обоснование.

Результаты изучения радиоактивности позволили также теоретически обосновать положения атомистической теории и экспериментально доказать существование атома.

Открытие Э. Резерфорда и Ф. Содди позволило устранить недостатки ранее существовавших представлений о строении материи. Примером этого может служить обнаруженная изменяемость атомов. Установление природы радиоактивности способствовало также естественнонаучной разработке представления о материи, выдвинутого В. И. Лениным. В борьбе против идеалистических утверждений об исчезновении материи В. И. Ленин стремился найти опору в результатах исследований Резерфорда. В своем труде "Материализм и эмпириокритицизм" Ленин показал, что осмысление физических открытий приводит не к выводу об исчезновении материи, а к изменению за счет новых взглядов существовавших ранее представлений о материи, так что философское понятие материи позволяет охватить и явление радиоактивности.

Джозеф Джон Томсон (1856-1940); профессор физики в Кембридже, открыл электрон; лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г.

Установление природы радиоактивности привело Резерфорда к исследованию строения атома. Вместе с Г. Гейгером и Э. Марсденом Резерфорд наблюдал, что при бомбардировке тонкой алюминиевой фольги α-частицами некоторые из них отклоняются от прямолинейного движения. На основании этого наблюдения Резерфорд сделал вывод о существовании необычайно малой по размеру положительно заряженной массы в центре атома, которую он назвал атомным ядром. Резерфорд открыл "партнера" электрона в составе атома и обнаружил противоречия в атомной модели, предложенной Томсоном. Согласно представлениям Томсона, положительные заряды равномерно заполняют объем атома, а отрицательный заряд, представленный электронами, вкраплен в положительный. Атомная модель Э. Резерфорда выразила тот экспериментально подтвержденный факт, что положительные заряды сосредоточены в центре атома, в атомном ядре, а электроны образуют оболочку атома. Поскольку построенный таким образом атом вследствие существования электростатических сил притяжения не может быть стабильным, Резерфорд предположил, что электроны должны с большой скоростью вращаться вокруг атомного ядра, и сравнил свою модель атома с крохотной Солнечной системой. Но Резерфорд так и не смог объяснить важного противоречия в разработанных им представлениях о строении атома: в соответствии с законами классической электродинамики вращающиеся вокруг ядра электроны, постоянно испуская энергию, в конце концов должны упасть на атомное ядро. В действительности же атомы чрезвычайно стабильны. Тем не менее атомная модель Э. Резерфорда стала основой для дальнейшей разработки модели строения атома, которую предложил один из одаренных его учеников Нильс Бор. Работы Н. Бора позволили объединить представления Э. Резерфорда о строении атома с периодическим законом.

Интересы исследователей были теперь направлены на изучение атомного ядра. Так, Г. Мозли открыл в 1913-1914 гг. зависимость между увеличением порядкового номера элемента в Периодической системе и возрастающей величиной заряда ядра. Тем самым он способствовал лучшему обоснованию периодического закона.

Собрание, посвященное памяти Бунзена (Мюнстер, 1932 г.). На снимке: Дж. Чэдвик, Э. Резерфорд, Отто Ган, Лизе Мейтнер

Так же и предложенная Резерфордом модель строения атома видоизменила введенное Дальтоном представление об атоме. Резерфорд опроверг предположение о бесструктурности атома и доказал, что атом не является мельчайшим неделимым "кирпичиком" материи. Идеалисты сделали из новых атомных представлений ложный вывод, что атом "дематериализуется". Они отрывали при этом материю от движения. Против этих антинаучных выводов боролся В. И. Ленин, уделявший большое внимание анализу результатов исследования атомов, которые послужили ему естественнонаучным обоснованием для разработки представления о бесконечности и неисчерпаемости материи. "Электрон также неисчерпаем, как и атом. Природа бесконечна, но она бесконечно существует, и вот это-то единственно безусловное признание ее существования вне сознания и ощущения человека и отличает диалектический материализм от релятивистского агностицизма и идеализма" [103, с. 277-278]. Этот ленинский тезис указал специалистам по атомной физике, что не существует никаких границ для познания структуры атома. Это послужило философской основой для дальнейшего изучения природы атома.

В 1919 г. Резерфорду удалось провести искусственным путем первую реакцию превращения атомов. Бомбардируя атомы азота а-частицами, Резерфорд открыл, что при этом образуются атомы кислорода. Это новое наблюдение явилось еще одним доказательством способности атомов к превращению. При этом, в данном случае из ядра атома азота, выделяется протон - частица, несущая единичный положительный заряд. В результате проведенных Резерфордом исследований резко возрос интерес специалистов по атомной физике к природе атомного ядра. Дж. Чэдвик, В. Гейзенберг, Д. Д. Иваненко и многие другие физики исследовали структуру атомного ядра. В этой области продолжаются открытия еще и сегодня. После осуществления Резерфордом искусственной атомной реакции наметился путь к овладению атомной энергией. По этому пути пошли ученик Э. Резерфорда Отто Ган и многие современные специалисты в области атомной физики.