Резерфорд

Резерфорд

Когда хотят подчеркнуть международное признание заслуг ученого, указывают, сколько иностранных академий избрало его своим членом. Из справочников мы узнаем, что француз Ж. Б. Фуко кроме Парижской академии был избран академиком еще в Лондоне, Берлине и Петербурге, датчанин Н. X. Бор состоял в 20 академиях, а вот англичанин Э. Резерфорд был членом всех академий мира. О таком ученом надо рассказать подробнее.

Эрнест Резерфорд родился, вырос и получил образование в Новой Зеландии, далеком английском доминионе. Дипломная работа, которую он выполнил в местном университете, привела его вплотную к открытию радиосвязи. Думая, что ему посчастливилось сделать выдающееся изобретение, 24-летний Резерфорд перебирается в метрополию, в Лондон. Там он поступает в лучшую физическую лабораторию страны, которая называется Кавендишской.

Сделаем небольшое отступление и расскажем о Генри Кавендише. Он родился вторым сыном в семье лорда, поэтому не получил в наследство ни титула, ни богатства (все досталось его старшему брату). Считая это несправедливым, Генри обиделся на все человечество, создавшее столь нелепые порядки. Кавендиш жил одиноко, не имел друзей, не разговаривал даже с прислугой: слуги подавали еду в столовую и удалялись, только после этого Генри входил и усаживался за стол. Раз в год к нему приходил портной, молча снимал мерку, потом приносил новый костюм, сшитый по предыдущему фасону. Идя по улице, Кавендиш шел по мостовой, а не по тротуару, предпочитая встречаться с лошадьми, а не с людьми. Чтобы чем-то заняться, создал дома физическую лабораторию, ставил опыты, результаты записывал в журнал, но ничего не опубликовывал — из неприязни иметь дело с людьми. Только после смерти Кавендиша его рабочий журнал с записями опытов попал в руки ученого-физика (Д. К. Максвелла). Оказалось, что Генри Кавендиш открыл закон Кулона за 14 лет до Ш. О. Кулона, закон Ома — за 30 лет до Г. С. Ома, закон Фарадея — за 95 лет до М. Фарадея. Но так как о трудах Кавендиша никто не знал, человечеству пришлось вторично открывать эти основные законы физики. Так Кавендиш отомстил всему человечеству.

Директором Кавендишской лаборатории в 1895 г. был Дж. Дж. Томсон. Он предоставил Резерфорду возможность построить радиопередатчик, чтобы убедиться в способностях молодого экспериментатора. Томсону понравился Резерфорд, но он сказал молодому ассистенту, что первым радио изобрел русский А. С. Попов, работы по практическому применению радио широко развернул итальянец Г. Маркони, продолжать заниматься радио — значит быть позади них, а в Кавендишской лаборатории предпочитают всегда и во всем быть впереди (обязывает имя!). Поэтому Томсон предложил Резерфорду заняться вопросами, связанными с только что открытым во Франции А. Беккерелем урановым излучением (сейчас оно называется радиоактивным, тогда его считали Х-лучами, как и рентгеновское излучение, открытое за год до этого).

Вскоре Резерфорд уехал в другой английский доминион, в Канаду, где стал профессором физики университета города Монреаля. Продолжая заниматься исследованием уранового излучения, он установил его сложную природу: кроме электронейтральных лучей (подобных рентгеновским) излучались также электрически заряженные положительные и отрицательные частицы. Затем Резерфорд стал исследовать радиоактивное излучение других веществ, например тория, полония, радия. Оказалось, что разным веществам присуще и различное по природе излучение. Пригласив к сотрудничеству химика Ф. Содди (который работал в университете лекционным демонстратором), он вместе с ним установил закон радиоактивных превращений.

Закон следующий: если вещество излучает положительно заряженные частицы, то оно превращается в элемент, стоящий на две клетки влево по таблице Д. И. Менделеева, а если вещество излучает отрицательно заряженные частицы, то оно превращается в элемент, стоящий на одну клетку вправо по таблице Менделеева. Так впервые была выявлена фундаментальная связь между физикой и химией. В 1908 г. физик Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии.

Но радиоактивный распад — процесс не химический, а физический (это тоже показал Резерфорд). Распад протекает за счет высвобождения энергии, запасенной в глубине атома — в атомном ядре. Наличие в атоме плотного образования — ядра также было впервые обнаружено Резерфордом в 1911 г.

Решив систематизировать все полученные им самим и его коллегами сведения о радиоактивности, Резерфорд стал писать книгу-монографию. Обдумывая ее, он пришел к двум догадкам.

Первая связана с тем, что по данным о радиоактивности можно определить возраст Земли (теперь так определяют возраст археологических находок, древних рукописей и др.). Ранее У Томсон (лорд Кельвин), исходя из термодинамических расчетов, определил возраст Земли в 100 миллионов лет. Резерфорд, исходя из данных по радиоактивности, получил другое число: 700 миллионов лет. На конференции, где Резерфорд делал свое сообщение, присутствовал и Кельвин. Не желая раздражать старого джентльмена (которому было 83 года), Резерфорд сказал: «Лорд Кельвин вывел свои ограничения для возраста Земли при условии, что не будет открыт новый источник энергии». Старик подобрел: получалось, что его труды нужны даже тем, кто работает в совершенно другой области науки. В отличие от Кавендиша, Кельвин хотел быть полезным человечеству. Кстати, титул лорда он получил именно за научные заслуги. Остается добавить, что ныне возраст земли оценивают в 4,7 миллиарда лет.

Вторая догадка связана со строением атома. Атомное ядро, как установил Резерфорд, имело положительный электрический заряд, а атом в целом был нейтральным. Значит, в атоме присутствовали и отрицательно заряженные частицы — электроны. Но как они там размещались? Дж. Дж. Томсон предложил «модель пудинга». Как изюм в пудинге рассредоточен по всему его объему, так и электроны равномерно расположены в объеме атома. Наличие плотного ядра противоречило «модели пудинга». Резерфорд предложил «планетарную модель»: как планеты вращаются вокруг Солнца (которое в тысячу раз тяжелее планет), так и электроны вращаются вокруг ядра, которое по своей массе тоже в тысячу раз тяжелее. Эта простая модель используется до сих пор, если можно обойтись без точных расчетов. Современная модель строения атома гораздо сложнее и не обладает свойствами наглядности, присущей «планетарной модели».

Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, заложив тем самым основы физики ядра.

Последние 18 лет жизни Резерфорд был директором Кавендишской лаборатории, в которой начинал свою научную деятельность. При нем она была лучшей физической лабораторией не только Англии, а всего мира. Туда приезжали на стажировку молодые ученые из всех стран, в том числе из СССР — П. Л. Капица и Ю. Б. Харитон.

Резерфорд был не только великим физиком-экспериментатором, но и теоретиком. Кроме «планетарной модели» его вклад в теорию связан с предсказанием одной из фундаментальных частиц — нейтрона. Существование нейтрона подтвердил в опытах один из учеников Резерфорда — Дж. Чэдвик, за что был удостоен Нобелевской премии по физике. Такую же премию в разное время получили два других ученика Резерфорда, — Н. Бор и Дж. Кокрофт. Возможно, Резерфорд считал это какой-то компенсацией за то, что сам он, физик, был Нобелевским лауреатом по химии. По статусу эта премия (по какой бы ни было дисциплине) выдается один раз в жизни. В те годы исключение было сделано только для женщины: М. Складовская-Кюри стала двукратным Нобелевским лауреатом — по физике (1903 г.) и по химии (1911 г.).

Еще один ученик Резерфорда, О. Ган, стал лауреатом Нобелевской премии по химии (как и его шеф). Ган открыл, что под действием нейтронов ядра урана начинают распадаться на более мелкие осколки. Отсюда был один шаг до создания атомной бомбы. Многие физики, узнав о работах Гана, подумали об этом сразу. Додумался и сам Ган, но для создания атомной бомбы требовались огромные средства. Ган жил тогда в фашистской Германии, власть ему таких денег не выделила, и Германия осталась без атомной бомбы. Физики в других странах (США, СССР) требуемые суммы и помощь своих государств получили — и эти страны стали обладателями атомного оружия.

Резерфорд не дожил до создания атомной бомбы — он умер в 1937 г. Но без его основополагающих работ не было бы ни атомного оружия, ни атомной энергетики.