Краткая биография эрнеста резерфорда. Какие открытия сделал физик Эрнест Резерфорд

Английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, ин. ч.-к. РАН (1922), поч.ч. АН СССР (1925). Дир. Кавендишской лаборатории (с 1919). Открыл (1899) альфа- и бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совм. с Ф. Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую исскуств. ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона. Ноб. пр. по химии (1908).

Эрнест Резерфорд считается величайшим физиком-экспериментатором двадцатого столетия. Он является центральной фигурой в наших познаниях в области радиоактивности, а также человеком, который положил начало ядерной физике. Помимо своего огромного теоретического значения его открытия получили широкий спектр применения, включая: ядерное оружие, атомные электростанции, радиоактивные исчисления и исследования радиации. Влияние трудов Резерфорда на мир огромно. Оно продолжает расти и, похоже, еще увеличится в будущем.

Резерфорд родился и вырос в Новой Зеландии. Там он поступил в Кентерберийский колледж и к двадцати трем годам получил три степени (бакалавра гуманитарных наук, бакалавра естественных наук, магистра гуманитарных наук). На следующий год ему присудили право на обучение в Кембриждском университете в Англии, где он провел три года как студент-исследователь под руководством Дж. Дж. Томсона, одного из ведущих ученых того времени. В двадцать семь лет Резерфорд стал профессором физики в университете Макджил в Канаде. Там он работал девять лет и в 1907 году вернулся в Англию, чтобы возглавить физический факультет Манчестерского университета. В 1919 году Резерфорд вернулся в Кембридж, на этот раз как директор Кавендишской лаборатории, и оставался на этом посту до конца жизни.

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским ученым Антуаном Анри Беккерелем, когда он проводил эксперименты с урановыми соединениями. Но вскоре Беккерель потерял интерес к этому предмету, и большая часть наших основных знаний в области радиоактивности происходит из широких исследований Резерфорда. (Мари и Пьер Кюри открыли еще два радиоактивных элемента - полоний и радий, но не сделали открытий фундаментального значения.)

Одно из первых открытий Резерфорда заключалось в том, что радиоактивное излучение урана состоит из двух различных компонентов, которые ученый назвал альфа- и бета-лучи. Позже он продемонстрировал природу каждого компонента (они состоят из быстродвижущихся частиц) и показал, что существует еще и третий компонент, который назвал гамма-лучами.

Важная черта радиоактивности - это связанная с ней энергия. Беккерель, супруги Кюри и множество других ученых считали энергию внешним источником. Но Резерфорд доказал, что данная энергия - которая намного мощнее, чем освобождаемая при химических реакциях, - исходит изнутри отдельных атомов урана! Этим он положил начало важной концепции атомной энергии.

Ученые всегда предполагали, будто отдельные атомы неделимы и неизменяемы. Но Резерфорд (с помощью очень талантливого молодого помощника Фредерика Содди) смог пока зать, что когда атом испускает альфа- или бета-лучи, он преобразуется в атом иного сорта. Сначала химики не могли в это поверить. Однако Резерфорд и Содди провели целую серию экспериментов с радиоактивным распадом и трансформировали уран в свинец. Также Резерфорд измерил скорость распада и сформулировал важную концепцию "полураспада". Это вскоре привело к технике радиоактивного исчисления, которое стало одним из важнейших научных инструментов и нашло широкое применение в геологии, археологии, астрономии и во многих других областях.

Эта ошеломляющая серия открытий принесла Резерфорду в 1908 году Нобелевскую премию (позже Нобелевскую премию получил и Содди), но его величайшее достижение было еще впереди. Он заметил, что быстродвижущиеся альфа-частицы способны проходить сквозь тонкую золотую фольгу (не оставляя видимых следов!), но при этом слегка отклоняются. Возникло предположение, что атомы золота, твердые, непроницаемые, как "крошечные бильярдные шары" - как ранее считали ученые, - были мягкими внутри! Все выглядело так, будто меньшие и более твердые альфа-частицы могут проходить сквозь атомы золота как высокоскоростная пуля через желе.

Но Резерфорд (работая с Гейгером и Марсденом, своими двумя молодыми помощниками) обнаружил, что некоторые альфа-частицы, проходя сквозь золотую фольгу, отклоняются очень сильно. Фактически некоторые вообще отлетают назад! Почувствовав, что за этим кроется нечто важное, ученый тщательно посчитал количество частиц, полетевших в каждом направлении. Затем путем сложного, но вполне убедительного математического анализа он показал единственный путь, которым можно было объяснить результаты экспериментов: атом золота состоял почти полностью из пустого пространства, а практически вся атомная масса была сконцентрирована в центре, в маленьком "ядре" атома!

Одним ударом труд Резерфорда навсегда потряс наше привычное видение мира. Если даже кусок металла - кажущийся самым твердым из всех предметов - являлся в основном пустым пространством, значит, все, что мы считали вещественным, вдруг развалилось на крошечные песчинки, бегающие в необъятной пустоте!

Открытие Резерфордом атомных ядер является основой всех современных теорий строения атома. Когда Нильс Бор через два года опубликовал знаменитый труд, описывающий атом как миниатюрную солнечную систему, управляемую квантовой механикой, он использовал для своей модели в качестве отправной точки ядерную теорию Резерфорда. Так же поступили Гейзенберг и Шрёдингер, когда они сконструировали более сложные атомные модели, используя классическую и волновую механику.

Открытие Резерфорда также привело к появлению новой ветви науки: изучение атомного ядра. В этой области Резерфорду тоже было суждено стать пионером. В 1919 году он добился успеха при трансформировании ядер азота в ядра кислорода, обстреливая первые быстродвижущимися альфа-частицами. Это было достижение, о котором мечтали древние алхимики.

Вскоре стало ясно, что ядерные трансформации могут быть источником энергии Солнца. Более того, трансформация атомных ядер является ключевым процессом в атомном оружии и на атомных электростанциях. Следовательно, открытие Резерфорда вызывает гораздо больший интерес, чем просто академический.

Личность Резерфорда постоянно поражала всех, кто с ним встречался. Он был крупным человеком с громким голосом, беспредельной энергией и заметным недостатком скромности. Когда коллеги отмечали сверхъестественную способность Резерфорда всегда находиться "на гребне волны" научных исследований, он сразу отвечал: "А почему бы и нет? Ведь это я вызвал волну, не так ли?" Немногие ученые стали бы возражать против этого утверждения.

Резерфорд Эрнест (1871-1937)
Выдающийся учёный-физик с мировым именем, лауреат Нобелевской премии (1908 год), один из создателей атомной физики, сочетавший в себе гений экспериментатора с глубокими теоретическими знаниями.
Он родился в Новой Зеландии в семье мелкого фермера, где был четвёртым из 12 детей, поэтому к труду приобщился с раннего возраста. Работоспособность позволила ему закончить школу с великолепными результатами (580 баллов из 600 возможных) и получить стипендию для дальнейшего обучения в Англии. Интересно, что известие об этом он получил во время уборки на картофельной плантации и пророчески заметил: «Это, очевидно, последняя картошка, которую я выкапываю».
Картошка, действительно, была последней, но «копать» Резерфорду пришлось всю оставшуюся жизнь, только теперь в науке. Его научная деятельность началась в известной физикам всего мира Кавендишской лаборатории, из стен которой вышло 17 Нобелевских лауреатов. Под руководством крупнейшего учёного того времени Дж.Дж. Томсона Резерфорд «копал» так глубоко, что его молодые коллеги присвоили ему кличку «Кролик». Его интересовал широкий круг вопросов. Это и электромагнитные волны, и прохождение тока через газы, и радиоактивность. Именно исследование радиоактивных излучений принесло ему мировую известность и славу. С помощью магнитного поля радиоактивное излучение им было разделено на α и β- лучи, им открыт закон радиоактивного распада, им обоснована возможность превращений одних элементов в другие при радиоактивном распаде.
В 1908 году Эрнест Резерфорд становится Нобелевским лауреатом по... химии (тогда радиоактивность относилась не к физике, а к химии). По этому поводу сам Резерфорд сказал: «Я имел дело с многими разнообразными превращениями, ... но самое замечательное превращение заключалось в том, что я в один миг превратился из физика в химика».
Однако и в физике достижения и открытия Резерфорда столь значительны, что их хватило бы на несколько подобных премий. Напомним лишь некоторые из них:

1. Опыты по рассеянию α-частиц, приведшие к планетарной модели атома.
2. Первая в мире ядерная реакция, осуществлённая бомбардировкой α-частицами атомов азота, результатом которой явилось превращение азота в кислород (точнее в озон - изотоп кислорода). Кстати, Резерфордом было осуществлено 17 различных ядерных реакций.
3. Открытие протона, являющегося составной частью ядра любого атома (1919 год). Протон был открыт в ходе осуществления первой ядерной реакции.

7 N 14 + 2 α 4 = 8 O 17 + 1 р 1

Став маститым учёным, Резерфорд приобрёл новую кличку - «Крокодил». Крокодил - существо, не умеющее пятиться назад. Резерфорд всегда шёл только вперёд и, зная о своей кличке, не обижался на коллег.
Э. Резерфорд щедро делился своими идеями с учениками, которые приезжали к нему из разных стран. Это англичанин Д. Чедвиг, открывший в 1932 году нейтрон, предсказанный Резерфордом; это российский физик П.Л.Капица, лучший ученик Резерфорда; это немецкий физик Г.Гейгер, сконструировавший счётчик α и β-частиц; это датчанин Н.Бор, ставший в один ряд со своим учителем в развитии атомной физики и т. д. Кстати, все вышеперечисленные ученики Резерфорда являются Нобелевскими лауреатами.
Из воспоминаний Капицы о Резерфорде: «... к людям он относился исключительно заботливо, особенно к своим ученикам. ... Не позволял работать дольше 6 часов вечера в лаборатории, а по выходным дням не позволял работать совсем». Он утверждал, что «плохи те люди, которые слишком много работают и слишком мало думают». Своему заместителю он неоднократно напоминал: «Всякому, кто имеет собственные идеи, нужно помочь их осуществить, даже если они кажутся не особенно важными или вообще невыполнимыми, ибо ошибки учат не меньше, чем успехи. ... Не забывайте, что многие идеи ваших мальчиков могут быть лучше ваших собственных и никогда не следует завидовать успехам своих учеников. ... Ученики заставляют меня казаться молодым».
Чувствуя отеческую заботу, ученики платили ему взаимной любовью. П.Л. Капица отмечал, что к Резерфорду полностью применимо изречение: «Простота - вот самая большая мудрость». И, действительно, несмотря на мировую известность, Резерфорд всегда оставался всегда простым в общении, в работе и в жизни вообще.
Сейчас мало кому известно, что в 1932 году его возводят в сан лорда и называют лордом Нельсоном (подобно лорду Кельвину), но сам он практически этим именем не пользовался, оставаясь простым сыном фермера.
Педагогическая деятельность Резерфорда не была столь успешной. На занятиях он постоянно увлекался рассказами о новых научных идеях и перспективах, а в итоге учащиеся не успевали усваивать программный материал. Увлекательно излагая на лекциях физические аспекты изучаемого вопроса, он почти никогда не мог довести до конечного результата математические выводы, относящиеся к данному вопросу. Сделав ошибку в доказательстве, он смущённо клал мел и говорил: «Если сделать все выводы правильно, то получится так, как я сказал». Однажды Резерфорд демонстрировал распад радия. Экран то светился, то гас. Он комментировал опыт так: «Теперь вы видите, что ничего не видно, а почему ничего не видно, вы сейчас увидите». Скорее всего Резерфорд никогда не готовился к лекциям, считая ненужным тратить время на то, что можно прочитать в учебнике.
Интересно, что имя Резерфорда часто пересекается с именем Ньютона. Так, Резерфорд женился на девушке, которую звали Мэри Ньютон (однофамилица великого учёного); отмечен факт, что Резерфорду в саду упал на голову сук от яблони, подобно тому, как Ньютону упало яблоко; даже могила Резерфорда находится рядом с могилой Ньютона.
Что же касается смерти Резерфорда, то она для всех явилась полной неожиданностью. Осенью 1937 года у него случилось ущемление грыжи, и на четвертый день после операции он скончался. Резерфорд похоронен в Соборе Святого Павла, известном как Вестминстерское аббатство. Его саркофаг установлен в, так называемом, «уголке науки», где захоронены И.Ньютон, М.Фарадей, Ч.Дарвин. Простой памятник над прахом учёного подтверждает его скромность. Но немеркнущим памятником великому Резерфорду стала атомная физика, отцом которой он является и которая получила блестящее развитие в трудах его многочисленных учеников.

В чем Резерфорд превзошел Эйнштейна и в чем уступил Маркони, какие мегагранты были в Англии XIX века, какие потери великий ученый понес на Первой мировой войне и за что его называли Крокодилом и кроликом, сайт рассказывает в очередном выпуске рубрики «Как получить Нобелевку».

Памятник Резерфорду-ребенку в Новой Зеландии

Wikimedia Commons

Эрнест Резерфорд

Нобелевская премия по химии 1908 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».

Когда пишешь статью о нобелевском лауреате, существует два особенно трудных случая. Первый вариант: о нашем герое известно очень мало, и приходится заниматься отдельным поиском, чтобы набрать материала на статью. Второй вариант: наш герой сверхзнаменит, имя его стало нарицательным, а воспоминания очевидцев часто противоречат друг другу. И тут возникает другой вопрос - вопрос выбора. Наш сегодняшний случай - именно такой. Очень мало лауреатов, которые настолько известны, как наш персонаж. Еще меньше - получивших Нобелевскую премию так, что сама номинация в его случае стала самым ярким случаем троллинга в истории науки. Хотя в том далеком 1908 году «троллингом» могли назвать разве что музыкальную сценку авторства Эдварда Грига. Но как еще можно назвать премию по химии, врученную физику до мозга костей, который сам неоднократно подчеркивал, что все науки «делятся на физику и коллекционирование марок»? С другой стороны, именем этого человека в разное время назывались целых три химических элемента. Вы уже догадались, кто наш герой? Разумеется, это он, первый новозеландский нобелевский лауреат, сэр Эрнест Резерфорд. Он же - с легкой руки будущего советского нобелевского лауреата и своего ученика Петра Капицы - Крокодил.

Юный Эрнест Резерфорд

Wikimedia Commons

Резерфорда можно считать счастливцем. Родившись дальше, чем в провинции, не в Девоншире каком-нибудь, не в Эдинбурге, не в Сиднее и даже не в Веллингтоне, а в новозеландской провинции, в фермерской семье, он сумел пробиться. Однако стипендию имени Всемирной выставки 1851 года для одаренных провинциалов наш герой получил лишь тогда, когда тот, кому ее присудили ранее, отказался.

Тем не менее Рубикон был перейден (так он писал своей невесте), деньги на пароход заняты, и с прототипом детектора радиоволн (примерно то же самое делали Маркони и Попов) Резерфорд отправился в Англию. Денег на то, чтобы разрабатывать детектор, ему не дали: все свои средства почта Британии поставила на Маркони, который получит Нобелевскую премию через год после Резерфорда. И новозеландец записался в Кавендишскую лабораторию при Кембридже.

Мало кто знает, что знаменитая Кавендишская лаборатория названа по имени не химика Генри Кавендиша (который был 2-м герцогом Девонширским), а его родственника, 7-го герцога Девонширского, Уильяма Кавендиша, канцлера Кембриджа, который пожертвовал денег на открытие лаборатории. Такой вот английский мегагрант. Между прочим, весьма успешный: на настоящий момент 29 сотрудников этого проекта получили Нобелевские премии (включая нашего Капицу).

Уильям Кавендиш, 7-й герцог Девонширский

Wikimedia Commons

Резерфорд стал докторантом у самого , первооткрывателя электрона (Томсон - лауреат «физического нобеля» 1906 года, но не за электрон, а за исследования прохождения токов в газах). И поучаствовал в нобелевских работах своего научного руководителя. А дальше можно просто перечислять лишь основные достижения Резефорда - великого экспериментатора и физика (доктор Эндрю Бальфур дал едкое определение-признание Резерфорду: «Мы заполучили дикого кролика из страны антиподов и он роет глубоко»).

Вместе с Томсоном он изучал ионизацию газов рентгеновским излучением. В 1898 году он выделил из радиоактивного излучения «альфа-лучи» и «бета-лучи». Сейчас мы знаем, что это ядра гелия и электроны. Кстати, химической природе альфа-лучей посвящена Нобелевская лекция Резерфорда.

Эккспериментальная установка по разделению радиоактивного излучения на альфа-, бета- и гамма-составляющие

Wikimedia Commons

В 1901-1903 годах вместе с будущим нобелиатом по химии 1921 года, Фредериком Содди, Резерфорд открыл естественные превращения элементов при радиоактивном распаде (за это наш герой и получил «Нобеля», так что все законно, ведь химия - это наука о превращении веществ друг в друга). При этом была открыта «эманация тория», газообразный радон-220, и сформулирован закон радиоактивного распада.

Фредерик Содди

Ганс Гейгер и Эрнест Резерфорд

Wikimedia Commons

Но самый известный свой эксперимент он (точнее, его ученики Гейгер и Мардсен) провел в 1909 году. Исследование прохождения альфа-частиц сквозь золотую фольгу абсолютно неожиданно для всех показало, что некоторые ядра гелия отбрасываются обратно. «Как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар», - писал Резерфорд. Так было открыто атомное ядро и появилась планетарная модель атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра, а модель Томсона, которая называлась «пудинг с изюмом», была отброшена.

Как проходили бы альфа-частицы через атомы Томсона (ожидаемый результат эксперимента) и какие результаты наблюдались в реальности

Wikimedia Commons

Предложить такую модель было совершенным безумием. Потом выяснилось, что о планетарной модели атома задумывался, например, Эйнштейн, но не решился ее разрабатывать, ведь всем ясно, что рано или поздно электроны должны падать на ядро.

Во время Первой мировой войны Резерфорд работал над детектированием вражеских подлодок (он служил офицером связи). Война же нанесла нашему герою и страшный удар: на фронте погиб талантливейший его ученик - Генри Мозли.

Генри Мозли

Wikimedia Commons

В 1917 году Резерфорд начинает эксперименты по искусственному превращению элементов. Два года спустя эти эксперименты успешно завершились: в 1919 году в том же журнале Philosophical Magazine, где он с Содди рассказал о превращении элементов при естественном радиоактивном распаде, вышла статья «Аномальный эффект в азоте», в которой сообщалось о первом искусственном превращении элементов). В 1920 году Резерфорд предсказал существование нейтрона (его потом открыл ученик Резерфорда Чедвик).

Сэр Джеймс Чедвик

Wikimedia Commons

Во время войны Резерфорд стал и дворянином. Несмотря на то, что удар мечом Резерфорд получил от короля в 1914 году, бароном Резерфордом Нельсоном он официально стал только в 1931-м, с утверждением соответствующего герба. На гербе - птица киви, символ Новой Зеландии, и две экспоненциальные кривые, показывающие, как убывает со временем количество радиоактивных атомов при радиоактивном распаде. Он телеграфировал по подводному кабелю восьмидесятивосьмилетней матери: «Итак - лорд Резерфорд. Заслуга более твоя, чем моя. Люблю, Эрнест».

Один из самых известных физиков Эрнест Резенфорд был родом из Новой Зеландии. Семья его была небогатой, а сам Резенфорд был четвертым ребенком из двенадцати. Казалось бы какое-то особое будущее ему не светит, но напротив с детства ученый стремился к образованию, и благодаря своему уму и усидчивости он добился стипендии, позволяющей обучаться в одном из лучших колледжей страны. В 1894 году будущий физик стал бакалавром естественных наук.

Он так хорошо учился, что был удостоен персональной стипендии и права продолжить обучение в Англии. Резерфорд приехал в Кембридж и стал аспирантом в Кавендишской лаборатории. Там он продолжил изучать распространение радиоволн, и впервые провел радиосвязь на расстоянии около километра. Но чисто инженерные проблемы никогда не привлекали его и Резерфорд начал заниматься изучением проводимости воздуха под воздействием только что открытых лучей Рентгена. Эта работа, которой он занимался совместно с Дж. Дж.Томпсоном, привела к открытию электрона. После этого Резерфорд и занялся изучением структуры атома.

Защитив докторскую диссертацию, Резенфорд уехал в Канаду и занял должность профессора физики в Макгиллском университете в Монреале. Там он начал изучать радиоактивность. Резерфорд исследовал свойства альфа- и бета-лучей, а также открыл изотопы тория и радия. В 1908 году Эрнест Резерфорд получил Нобелевскую премию за свою теорию о превращении радиоактивных элементов. Это исследование ученый проводил вместе с Ф.Содди.

В 1907 году Резенфорд вновь приехал в Англию, где стал руководителем кафедры физики Манчестерского университета. Изучая рассеяние альфа-лучей,ученый открыл существование атомных ядер и определил их размеры. Эту работу он сделал совместно с будущим известным физиком Марсденом. На основе этих исследований и теоретических работ датского физика Нильса Бора была создана модель атома Бора-Резерфорда.

В 1918 году Резерфорд сделал еще одно крупное открытие - доказал возможность превращения ядра азота в кислород под воздействием альфа-частиц, подтвердив возможность, превращения одного химического, элемента в другой.

Изучая столкновения альфа-частиц с атомами водорода, Резерфорд сделал и другое фундаментальное открытие - искусственную радиоактивность.

Интересно, что ученый считал это чисто научной проблемой и не верил в возможность практического использования ядерной энергии. Тем не менее именно его сотрудник, а позже, крупный немецкий физик Отто Ган открыл деление урана, а работы Резерфорда в огромной степени приблизили наступление ядерного века. В 1919 году Эрнест Резерфорд становится директором Кавендишской лаборатории. На этом посту он оставался до самой смерти. Лаборатория стала настоящей Меккой для физиков XX века. В ней работали многие крупнейшие ученые нашего времени, считавшие себя учениками Резерфорда, - Блекетт, Кокрофт, Чедвик, Капица, Уолтон. Ученый считал, что главное - дать человеку возможность раскрыться до конца и показать, на что он способен. Так, он был инициатором строительства специальной магнитной лаборатории для опытов П.Капицы, а позже добился продажи уникального оборудования в СССР, чтобы ученый мог продолжить там свою научную работу.

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.