Ernest Rutherford ; 1. Baron Rutherford af Nelson ( Eng. Ernest Rutherford, 1. Baron Rutherford af Nelson ; 30. august 1871 , Spring Grove, New Zealand - 19. oktober 1937 , Cambridge ) - britisk fysiker af New Zealandsk oprindelse. Kendt som kernefysikkens fader . Vinder af Nobelprisen i kemi i 1908.
I 1911 beviste han med sit berømte eksperiment om spredning af alfapartikler eksistensen af en positivt ladet kerne i atomer og negativt ladede elektroner omkring den [7] . Baseret på resultaterne af eksperimentet skabte han en planetarisk model af atomet .
Medlem (1903) og præsident (1925-1930) af Royal Society of London [8] , udenlandsk medlem af Paris Academy of Sciences (1927; korrespondent siden 1921) [9] , udenlandsk korresponderende medlem (1922) og æresmedlem ( 1925) af Det Russiske Videnskabsakademi [10] .
Ernest Rutherford blev født den 30. august 1871 i New Zealand i den lille landsby Spring Grove ( eng. Spring Grove ), beliggende i den nordlige del af Sydøen nær byen Nelson , i familien af en hørfarmer. Far - James Rutherford, immigreret fra Perth (Skotland). Mor - Martha Thompson, oprindeligt fra Hornchurch (Essex, England). På det tidspunkt emigrerede andre skotter til Quebec (Canada), men Rutherford-familien var ikke heldig, og regeringen sørgede for en gratis dampbådsbillet til New Zealand og ikke til Canada.
Ernest var det fjerde barn i en familie på tolv børn. Han havde en fantastisk hukommelse, godt helbred og styrke. Han dimitterede med udmærkelse fra folkeskolen med en score på 580 ud af 600 og en bonus på £50 for at fortsætte sine studier på Nelson College. Et andet stipendium tillod ham at fortsætte sine studier ved Canterbury College i Christchurch [11] . På det tidspunkt var det et lille universitet med 150 studerende og kun 7 professorer [12] . Rutherford blev interesseret i videnskab og begyndte fra første dag forskningsarbejde [12] .
Hans kandidatafhandling, skrevet i 1892, hed "Magnetisering af jern under højfrekvente udladninger." Arbejdet vedrørte detektering af højfrekvente radiobølger, hvis eksistens blev bevist i 1888 af den tyske fysiker Heinrich Hertz . Rutherford opfandt og fremstillede en enhed - en magnetisk detektor, en af de første modtagere af elektromagnetiske bølger.
Efter sin eksamen fra universitetet i 1894 arbejdede Rutherford i et år som gymnasielærer [12] . De mest begavede unge undersåtter af den britiske krone, som boede i kolonierne, fik en gang hvert andet år tildelt et særligt stipendium opkaldt efter verdensudstillingen i 1851 - 150 pund om året, som gjorde det muligt at tage til England for yderligere fremskridt i videnskab. I 1895 blev Rutherford tildelt dette stipendium, da den, der først modtog det - Maclaurin, nægtede det [13] . I efteråret samme år, efter at have lånt penge til en billet til Storbritannien, ankom Rutherford til England på Cavendish Laboratory ved Cambridge University og blev den første doktorand af dets direktør, Joseph John Thomson . 1895 var det første år (på initiativ af J. J. Thomson), at studerende, der dimitterede fra andre universiteter, kunne fortsætte videnskabeligt arbejde i laboratorierne i Cambridge. Sammen med Rutherford benyttede John McLennan , John Townsend og Paul Langevin sig af denne mulighed ved at tilmelde sig Cavendish Laboratory . Med Langevin arbejdede Rutherford i samme værelse og blev venner med ham, dette venskab fortsatte indtil slutningen af deres liv [12] .
Samme år, 1895, blev der indgået en forlovelse med Mary Georgina Newton (1876-1945), datter af værtinden på pensionatet, hvor Rutherford boede. Brylluppet fandt sted i 1900 i den anglikanske kirke i Christchurch [14] [15] [16] , og den 30. marts 1901 fik parret datteren Eileen Mary (1901-1930), som senere blev hustru til astrofysikeren Ralph Fowler .
Rutherford planlagde at studere radiobølger eller hertziske bølger, bestå eksamener i fysik og få en kandidatgrad. Men året efter viste det sig, at det britiske postkontor havde tildelt Marconis penge til det samme arbejde og nægtede at finansiere det på Cavendish Laboratory . Da stipendiet ikke engang var nok til mad, blev Rutherford tvunget til at begynde at arbejde som vejleder og assistent for J. J. Thomson om emnet at studere gasioniseringsprocessen under påvirkning af røntgenstråler . Sammen med Thomson opdagede Rutherford fænomenet strømmætning under gasionisering [12] .
I 1898 opdagede Rutherford alfa- og beta-stråler . Et år senere opdagede Paul Villard gammastråling (navnet på denne type ioniserende stråling, ligesom de to første, blev foreslået af Rutherford).
I sommeren 1898 begyndte videnskabsmanden at studere det nyopdagede fænomen uran og thorium radioaktivitet. I efteråret tiltrådte Rutherford efter forslag fra Thomson, der overvandt konkurrencen fra 5 personer, stillingen som professor ved McGill University i Montreal (Canada) med en løn på 500 pund sterling eller 2.500 canadiske dollars om året. På dette universitet samarbejdede Rutherford frugtbart med Frederick Soddy , dengang en junior laboratorieassistent i Department of Chemistry, senere (ligesom Rutherford) en nobelprismodtager i kemi (1921). I 1903 fremsatte og beviste Rutherford og Soddy den revolutionære idé om transformation af elementer i processen med radioaktivt henfald. I september 1905 kom Otto Hahn , den fremtidige nobelpristager i kemi fra Tyskland, til Rutherfords laboratorium i Montreal i et år for at studere .
Almindeligt kendt for sit arbejde inden for radioaktivitet blev Rutherford en efterspurgt videnskabsmand og modtog mange jobtilbud i forskningscentre rundt om i verden. I foråret 1907 forlod han Canada og begyndte et professorat ved Victoria University i Manchester (England), hvor hans løn steg med omkring 2,5 gange.
I 1908 blev Rutherford tildelt Nobelprisen i kemi "for sin forskning i nedbrydning af grundstoffer i radioaktive stoffers kemi."
En vigtig og glædelig begivenhed i hans liv var valget af en videnskabsmand til medlem af Royal Society of London i 1903, og fra 1925 til 1930 fungerede han som præsident for samfundet. Fra 1931-1933 var Rutherford præsident for Institute of Physics .
I 1914 blev Rutherford tildelt adelstitlen. Den 12. februar i Buckingham Palace slog kongen ham til ridder: han var klædt i en hofuniform og omspændt med et sværd.
The Peer of England, Baron Rutherford Nelson, kronede sit heraldiske våbenskjold, godkendt i 1931, med en kiwifugl, symbolet på New Zealand. Tegningen af våbenskjoldet er billedet af eksponenten - en kurve, der kendetegner den monotone proces med at mindske antallet af radioaktive atomer over tid.
I 1931 sikrede Rutherford £15.000 til at bygge og udstyre en speciel laboratoriebygning til Peter Kapitza , som han hyrede på Cavendish Laboratory i 1921 [17] . Kapitza fik tilnavnet Rutherford " Krokodillen ". "Dette dyr vender aldrig tilbage og kan derfor symbolisere Rutherfords indsigt og hans hurtige fremmarch," forklarede Kapitsa senere [17] . F. Kedrov i bogen "Kapitsa: liv og opdagelser" giver en anden version [18] : "Faktum er, at Rutherford havde en høj stemme, og han vidste ikke, hvordan han skulle klare det. Mesterens stærke stemme, der mødte nogen i korridoren, advarede dem, der var i laboratorierne, om hans tilgang, og medarbejderne havde tid til at "samle deres tanker". Dette gav Kapitsa grund til at kalde Rutherford for Krokodillen. Dette forklares af tilknytningen til helten fra den populære børnebog Crocodile, der slugte vækkeuret. Dens tikken advarede børnene om, at et frygteligt dyr nærmede sig. I februar 1933 blev laboratoriet indviet i Cambridge. På endevæggen af en 2-etagers bygning var en kæmpe krokodille hugget i sten, der dækkede hele væggen. Det blev bestilt af Kapitsa til at blive lavet af den dengang berømte billedhugger Eric Gill . Rutherford forklarede selv, at det var ham. Hoveddøren blev åbnet med en forgyldt nøgle i form af en krokodille [19] [17] .
Ernest Rutherford døde den 19. oktober 1937, fire dage efter en nødoperation for en uventet sygdom - kvalt brok - i en alder af 66 [12] . Han blev begravet i Westminster Abbey , ved siden af Newtons, Darwins og Faradays grave [20] [21] [22] .
Ifølge P. L. Kapitzas erindringer var Rutherford en fremtrædende repræsentant for den engelske eksperimentelle skole i fysik, som er karakteriseret ved et ønske om at forstå essensen af et fysisk fænomen og undersøge, om det kan forklares med eksisterende teorier (i modsætning til tysk skole for eksperimentatorer, som går ud fra eksisterende teorier og søger at teste dem ved erfaring). Han gjorde kun lidt brug af formler og brugte kun lidt matematik, men han var en genial eksperimentator, der mindede om Faraday i denne henseende [12] . En vigtig egenskab ved Rutherford som eksperimentator bemærket af Kapitsa var hans observation. Især takket være hende opdagede han emanationen af thorium, idet han bemærkede forskelle i aflæsningerne af et elektroskop, der målte ionisering, med døren åben og lukket i enheden, hvilket blokerede luftstrømmen [12] . Et andet eksempel er Rutherfords opdagelse af kunstig transmutation af grundstoffer, da bestrålingen af nitrogenkerner i luften med alfapartikler blev ledsaget af fremkomsten af højenergipartikler (protoner), som havde en større rækkevidde, men var meget sjældne [12 ] .
Rutherford skrev og udgav tre bind af værker. Alle er eksperimentelle.
1904 - "Radioaktivitet".
1905 - "Radioaktive transformationer".
1930 - "Emissioner af radioaktive stoffer" (forfattet med J. Chadwick og C. Ellis ).
Rutherford var ikke interesseret i de anvendte spørgsmål om atomenergi og dens udsigter, og han mente, at hvis menneskeheden bruger atomenergi, så vil der ikke være noget overraskende i dette [23] [24] .
12 studerende fra Rutherford blev nobelprisvindere i fysik og kemi. En af de mest talentfulde studerende , Henry Moseley , som eksperimentelt viste den fysiske betydning af den periodiske lov , blev indkaldt til den britiske hær til Første Verdenskrig som kommunikationsofficer og døde i 1915 i en alder af 27 under Dardaneller-operationen . I Montreal arbejdede Rutherford sammen med Frederick Soddy , Otto Hahn ; i Manchester - med Hans Geiger (især hjalp han ham med at udvikle en tæller til automatisk at tælle antallet af ioniserende partikler ), i Cambridge - med Niels Bohr , Peter Kapitsa og mange andre berømte videnskabsmænd i fremtiden.
Efter opdagelsen af radioaktive grundstoffer begyndte en aktiv undersøgelse af den fysiske natur af deres stråling. Det lykkedes Rutherford at opdage den komplekse sammensætning af radioaktiv stråling .
Oplevelsen var som følger. Det radioaktive præparat blev placeret i bunden af en smal kanal i en blycylinder, og en fotografisk plade blev placeret overfor. Magnetfeltet virkede på strålingen, der kom ud fra kanalen. I dette tilfælde var hele installationen i et vakuum.
I et magnetfelt opdeles strålen i tre dele. De to komponenter af den primære stråling afveg i modsatte retninger, hvilket indikerede, at de havde ladninger med modsatte fortegn. Den tredje komponent holdt udbredelsen ved lige. Stråling med en positiv ladning kaldes alfa-stråler , negative beta-stråler , neutral- gamma-stråler .
Ved at studere arten af alfastråling udførte Rutherford følgende eksperiment. I alfapartiklernes vej placerede han en geigertæller , som målte antallet af udsendte partikler i en bestemt tid. Derefter målte han ved hjælp af et elektrometer ladningen af de partikler, der blev udsendt i løbet af samme tid. Ved at kende den samlede ladning af alfapartikler og deres antal, beregnede Rutherford ladningen af en sådan partikel. Det viste sig at være lig med to elementære .
Ved afbøjning af partikler i et magnetfelt bestemte han forholdet mellem dets ladning og masse. Det viste sig, at der er to atommasseenheder for en elementær ladning .
Således blev det fundet, at med en ladning lig med to elementære, har en alfapartikel fire atommasseenheder . Det følger heraf, at alfastråling er en strøm af heliumkerner .
I 1920 foreslog Rutherford, at der skulle være en partikel med en masse svarende til massen af en proton, men uden en elektrisk ladning - en neutron . Han kunne dog ikke opdage en sådan partikel. Dens eksistens blev eksperimentelt bevist af James Chadwick i 1932.
Derudover specificerede Rutherford med 30 % forholdet mellem elektronladningen og dens masse.
Radioaktive transformationerUd fra egenskaberne af radioaktivt thorium opdagede og forklarede Rutherford den radioaktive omdannelse af kemiske grundstoffer. Forskeren fandt ud af, at aktiviteten af thorium i en lukket ampul forbliver uændret, men hvis lægemidlet blæses selv med en meget svag luftstrøm, reduceres dets aktivitet betydeligt. Det er blevet foreslået, at samtidig med alfapartikler udsender thorium en radioaktiv gas.
Resultaterne af Rutherfords og hans kollega Frederick Soddys fælles arbejde blev offentliggjort i 1902-1903 i en række artikler i Philosophical Magazine . I disse artikler, efter at have analyseret de opnåede resultater, kom forfatterne til den konklusion, at det er muligt at omdanne nogle kemiske grundstoffer til andre.
Som et resultat af atomomdannelse dannes der en helt ny type stof, helt anderledes i sine fysiske og kemiske egenskaber fra det oprindelige stof.
— E. Rutherford, F. SoddyPå det tidspunkt dominerede ideen om atomets uforanderlighed og udelelighed, andre fremtrædende videnskabsmænd, der observerede lignende fænomener, forklarede dem med tilstedeværelsen af nye elementer i det oprindelige stof helt fra begyndelsen. Men tiden har vist fejltagelsen af sådanne ideer. Efterfølgende arbejde af fysikere og kemikere viste i hvilke tilfælde nogle grundstoffer kan omdannes til andre, og hvilke naturlove der styrer disse transformationer [25] .
Lov om radioaktivt henfaldVed at pumpe luft ud af et fartøj med thorium isolerede Rutherford emanationen af thorium (gassen nu kendt som thoron eller radon-220, en af radons isotoper ) og undersøgte dens ioniserende evne. Det blev konstateret, at aktiviteten af denne gas falder med det halve hvert minut.
Ved at studere afhængigheden af radioaktive stoffers aktivitet til tiden, opdagede videnskabsmanden loven om radioaktivt henfald .
Da kernerne af atomer af kemiske grundstoffer er ret stabile, foreslog Rutherford, at en meget stor mængde energi er nødvendig for at transformere eller ødelægge dem. Den første kerne, der udsættes for kunstig transformation, er nitrogenatomets kerne . Ved at bombardere nitrogen med højenergi- alfapartikler opdagede Rutherford udseendet af protoner - brintatomets kerner .
Geiger-Marsden-eksperimentet med guldfolieRutherford er en af de få nobelprisvindere, der har udført sit mest berømte værk, siden han modtog det. Sammen med Hans Geiger og Ernst Marsden gennemførte han i 1909 et eksperiment , der påviste eksistensen af en kerne i et atom. Rutherford bad Geiger og Marsden i dette eksperiment om at lede efter alfapartikler med meget store afbøjningsvinkler, hvilket ikke var forventet fra Thomsons model af atomet på det tidspunkt. Sådanne afvigelser blev fundet, selvom de var sjældne, og sandsynligheden for afvigelse viste sig at være en jævn, omend hurtigt aftagende funktion af afvigelsesvinklen.
Senere indrømmede Rutherford, at da han foreslog sine elever, at de skulle lave et eksperiment om spredning af alfapartikler i store vinkler, troede han ikke selv på et positivt resultat.
Det var næsten lige så utroligt, som hvis du affyrede et 15-tommer projektil mod et stykke tyndt papir, og projektilet kom tilbage til dig og slog.
— Ernest Rutherford [26]Rutherford var i stand til at fortolke data opnået fra eksperimentet, hvilket førte til, at han udviklede en planetarisk model af atomet i 1911. Ifølge denne model består et atom af en meget lille positivt ladet kerne, der indeholder det meste af atomets masse, og lette elektroner, der kredser omkring den.
Rutherford er en af de mest respekterede videnskabsmænd i verden [27] . I 1914 slog George V Rutherford til ridder, [28] som ridderbachelor . I 1925 gjorde han ham [29] til medlem af Order of Merit , og i 1931 tildelte han Rutherford [30] titlen som baron, således fik han retten til at blive kaldt Lord Rutherford.
Opkaldt efter Ernest Rutherford:
Tematiske steder | ||||
---|---|---|---|---|
Ordbøger og encyklopædier | ||||
Slægtsforskning og nekropolis | ||||
|
Præsidenter for Royal Society of London | |
---|---|
1600-tallet |
|
1700-tallet |
|
19. århundrede |
|
20. århundrede |
|
XXI århundrede |
|
i kemi 1901-1925 | Nobelprisvindere|
---|---|
| |
|
1908 _ | Nobelprismodtagere i|
---|---|
Fysiologi eller medicin | Ilya Ilyich Mechnikov (det russiske imperium) Paul Ehrlich (Tyskland) |
Fysik | Gabriel Lippmann (Frankrig) |
Kemi | Ernest Rutherford (New Zealand) |
Litteratur | Rudolf Christoph Eiken (Tyskland) |
Verden | Klas Pontus Arnoldson (Sverige) Fredrik Baier (Danmark) |