Ърнест Ръдърфорд
gigatos | януари 17, 2022
Резюме
Ърнест Ръдърфорд, първи барон на Нелсън Ръдърфорд, OM, PC, FRS, PRS (30 август 1871 г., Спринг Гроув, Нова Зеландия – 19 октомври 1937 г., Кеймбридж, Англия, Обединеното кралство) е британски физик, роден в Нова Зеландия.
Още от детството си Ръдърфорд получава възможност за образование и я използва, за да постигне успех в обучението си. Още като студент прави собствени изследвания и е приет в първата си изследователска група като аспирант в университета в Кеймбридж, Англия. Това е началото на изследванията на физика в областта на радиоактивността. Те продължават през целия му живот в различни университети по света и водят до големи постижения.
Сред големите открития във физиката е откриването на атомното ядро в експеримент, известен днес като експеримента на Ръдърфорд. Той изучава радиоактивността и пръв въвежда термините алфа, бета и гама лъчение. Ръдърфорд е първият, който открива, че половината от радиоактивните материали се разпадат за постоянно време (период на полуразпад). Ръдърфорд също така открива протона и изказва хипотезата за съществуването на незаредени частици – неутрони – в атома. През 1908 г. на Ръдърфорд е присъдена Нобелова награда за химия за изследванията му върху химията на радиоактивните елементи.
Ърнест е роден в Спринг Гроув, Нова Зеландия, на 30 август 1871 г. Бащата на Ърнест, Джеймс Ръдърфорд, и майката, Марта Томпсън, са емигрирали с родителите си в Нова Зеландия в средата на XIX век – бащата Джеймс от Шотландия на 4-годишна възраст, а майката Марта от Англия на 13-годишна възраст. Ърнест е роден в семейство от средната класа. Според различни източници баща му е работил като фермер и ленар през целия си живот и е управлявал собствена дъскорезница, където младият Ърнест също е работил много. Ърнест беше заобиколен от трудолюбиви хора с добри технически умения. Баща му също така ремонтира и поддържа машини и части за различни мелници. Майка му е учителка, която учи всичките си деца да четат и пишат. В семейство Рътърфорд се раждат 12 деца – пет момичета и седем момчета. Ернест е четвъртото дете и вторият най-голям син. Трима от братята на Ърнест умират в ранна детска възраст, един при раждането, а двама за съжаление се удавят по време на семейно пътуване. Това води до депресия на майката на Ърнест, от която тя така и не се възстановява през целия си живот.
Всички деца на Ръдърфорд получават добро образование, защото родителите им ценят образованието. Признателността на родителите се дължи на факта, че бащата Джеймс никога не е имал тази възможност, а майката Марта – да. Майка му вярва, че „всяко знание е сила“. До 1886 г. Ърнест учи в селските училища на мястото, където живее (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Първата си книга по природни науки получава в училище на 10-годишна възраст. През същата година Ръдърфорд построява свое миниатюрно оръдие, което за щастие се взривява, без да причини щети.
Научни изследвания и постижения в университетите
Университет Макгил, Монреал, Канада (1898-1907)
Манчестърски университет, Англия (1907-19)
Университет на Кеймбридж, Кавендишка лаборатория, Англия (1919-1937 г.)
През 1898 г. Ръдърфорд приема професура в университета Макгил в Монреал, Канада (1898-1907). Университетът разполага с добре оборудвани лаборатории, затова Ръдърфорд се премества отвъд океана. Той наема млад химик, Фредерик Соди, за да му помага в изследванията, и студентка, Хариет Брукс, за негов асистент. С тяхна помощ той доказва тайната на радиоактивното разпадане: атомите на някои елементи спонтанно се разпадат в атоми на по-леки елементи. Това е един от най-значимите пробиви в кариерата му. След като открива, че крайният продукт от разпадането на урана е олово, Ръдърфорд разбира, че чрез измерване на относителните дялове на урана и оловото в минералите и скоростта на разпадане на урановите атоми може да се определи възрастта на минералите. Радиоактивното датиране на почвени проби е важна част от геоложките изследвания и днес. В резултат на изследванията на разпадането на тежки елементи е разработено понятието „период на полуразпад“ – времето, за което половината от атомните ядра на дадено радиоактивно вещество се разпадат в други атомни ядра.
Между 1902 и 1903 г. Ръдърфорд и Соди разработват теорията за разпада като обяснение на радиоактивността, която се смята за най-голямото постижение на Ръдърфорд в университета Макгил. В алхимията и теорията за преходните елементи атомите се смятат за стабилни, но Ръдърфорд и Соди твърдят, че радиоактивната енергия идва от вътрешността на атома и че спонтанното излъчване на алфа- и бетачастици бележи химическата трансформация на атомите от един елемент в друг. Огромните доказателства от експериментални проучвания потискат съмненията. Ръдърфорд смята, че алфа-частицата има основен принос за тази химична промяна поради конкретната маса на алфа-частицата. Той установява положителен заряд на алфа частицата, но все още не може да определи дали това е водороден или хелиев йон.
По време на престоя си в университета Макгил, Ръдърфорд приема все повече и повече студенти, включително жени, които по това време са малко в университета. Тя е търсен лектор и журналист. През 1900 г. е избран за член на Кралското дружество на Канада, а през 1903 г. – за член на Кралското дружество на Лондон. През този период той написва и най-важните учебници по радиоактивност. Първата му книга „Радиоактивност“ е публикувана през 1904 г. Получава стипендии, медали и много предложения за работа. По-късно, през 1908 г., му е присъдена Нобелова награда за химия за изследванията му върху разлагането на елементите и химическите му резултати върху радиоактивните вещества. Смаяният Ръдърфорд често казвал на приятелите си, че най-бързата промяна, която познава, е преминаването му от физик към химик.
През 1900 г. Ръдърфорд се връща за кратко в Нова Зеландия, за да се ожени за любимата си Мери Нютън. Единственото им дете Айлин е родено през 1901 г. През 1905 г. двойката посещава Нова Зеландия, за да поднови връзките със семействата си.
Ръдърфорд никога не искаше да стои дълго време на едно място и често му хрумваха нови алтернативни възможности. В Северна Америка имаше добра научна общност, но центърът на земната физика беше в Европа. Англия отново го привлича. Англия е по-близо до основните научни центрове и има повече и по-качествени дипломирани студенти. През 1907 г., когато на Ръдърфорд е предложен постът ръководител на Манчестърския университет, той приема.
В годината на избухването на Първата световна война (1914-1918) Ръдърфорд е посветен в рицарско звание. По време на войната той провежда изследвания за правителството, като разработва акустични методи за откриване на подводници. След това тази информация е предоставена на американците. В същото време той безуспешно се опитва да убеди младите учени, че е по-добре да ги използва за разработване и изследване на военни предизвикателства, отколкото да погуби живота и научния им талант в окопите. Към края на войната през 1917 г. Ръдърфорд се връща към практиката на атомната наука. Докато бомбардира леки атоми с алфа-лъчение, Ръдърфорд забелязва, че изхвърлените частици имат по-висока енергия от алфа-лъчението, и предполага, че частиците са водородни ядра (протони H+). Въз основа на това наблюдение той стига до заключението, че бомбардировката едновременно е превърнала азотните атоми в кислородни. Следователно той е успял да използва алфа-частици (He2+), за да превърне даден елемент в друг елемент в резултат на ядрена реакция. По този начин Ръдърфорд става първият успешен алхимик в света и първият, който разделя ядрото, с което си спечелва трайна научна репутация. Тези резултати са публикувани след войната през 1919 г.
След войната, през 1919 г., той се връща към университетските си изследователски корени и има честта да заеме поста на професор по експериментална физика в Кеймбридж и поста на директор на Кавендишката лаборатория, наследявайки известния сър Джей Джей Томсън. Сега времето му е заето и с административни задължения, така че вече не разполага с толкова много време да се концентрира върху научните изследвания, както преди.
Ръдърфорд кани Джеймс Чадуик, студент от Манчестър, да се присъедини към него в Кавендиш, за да продължат съвместните си изследвания. В лабораторни експерименти те бомбардират леки атоми с алфа-лъчение, което предизвиква промени в структурата им, но не успяват да проникнат в ядрата на по-тежки елементи с алфа-лъчение. Взаимните заряди между алфа-лъчението и ядрата на по-тежките атоми сякаш се отблъскват. Освен това не можаха да определят дали алфа-частицата е била отразена обратно, или се е съединила с ядрото, за да бъде бомбардирана. В крайна сметка, в края на 20-те години на ХХ век, напредъкът в областта на екотехнологиите дава възможност за разрешаване на тези въпроси. Междувременно през първото си десетилетие като университетски преподавател и директор на лаборатория Ръдърфорд се съсредоточава върху създаването на първокласни изследователски групи. Той се оказа хуманен и подкрепящ ръководител, който се увери, че студентите получават признание за научните изследвания, на които е бил наставник. В университета той води кампания за това жените да имат същите права като мъжете.
През 1925 г. Ръдърфорд пътува за последен път – до Австралия и Нова Зеландия. По време на шестседмичното си посещение в Нова Зеландия той изнася няколко публични лекции. Където и да изнасяше лекции, той беше приеман с уважение. Залите бяха пълни с хора, които искаха да го чуят да говори за структурата на атома. Ръдърфорд заявява, че винаги се е гордял, че е новозеландец. Той изрази подкрепата си за образованието и научните изследвания и препоръча да се провеждат научни изследвания в полза на земеделските производители. В резултат на неговата подкрепа в Нова Зеландия е създаден Институт за научни и промишлени изследвания през 1926 г. По време на посещението си в Нова Зеландия той също така оказва подкрепа на болните си родители.
С развитието на технологиите 30-те години на ХХ век са златният век на изследователските екипи на Ръдърфорд. През 1932 г. Джеймс Чадуик открива неутрона и доказва, че ядрото се състои от протони и неутрони. Ръдърфорд е предсказал съществуването на неутрона десетилетие по-рано и насочва Чадуик в изследванията му, като му казва какви свойства трябва да има неутронът. През същата година Джон Кокрофт и Ърнест Уолтън успяват да разделят литиевия атом, като го бомбардират с протони – ядрата на водородния атом, ускорени до много висока скорост от високоволтов ускорител. Атомът на лития се разделя на две алфа частици. По-късно, през 1951 г., двамата получават Нобелова награда за физика за своята работа.
Епилог
Освен с наука, Ръдърфорд се занимава и с голф и автомобилизъм. Той е либерал, но не е политически активен, въпреки че е член на Консултативния съвет на Правителствения институт за научни и промишлени изследвания и председател на Академичния помощен съвет.
През живота си Ръдърфорд получава много научни награди и почетни докторски степени в много страни, както и стипендии от много общества и организации. Няколко сгради са наречени на негово име и той се появява на пощенски марки в четири различни държави и на новозеландски банкноти. В негова чест е наречен елементът рутерфордий.
Ръдърфорд умира в Кеймбридж на 66-годишна възраст на 19 октомври 1937 г. от усложнения след операция на херния и е погребан в Уестминстърското абатство, Лондон. Лейди Ръдърфорд се оттегля на старини в родната си Нова Зеландия, в Крайстчърч, където умира през 1954 г.
„Беше почти толкова невероятно, колкото да бомбардираш хартия с 15-инчови снаряди и те да отскачат обратно и да ме удрят.“ (Ръдърфорд казва, че неговият експеримент е резултат от изследванията, довели до откриването на атомното ядро.)
Публикации
Източници
