EN

100 летний юбилей атомного ядра и научный подвиг Э. Резерфорда


7 марта 1911 г. заведующий кафедрой физики Манчестерского университета Эрнест Резерфорд объявил об открытии атомного ядра на собрании Манчестерского общества литературы и философии. Произошло важнейшее событие в истории науки. Со времен появления понятия «атом», это был первый шаг по квантовой лестнице материальных объектов (к настоящему моменту человечество сделало три таких шага: атом - атомное ядро - адроны (включая протоны и нейтроны) - кварки и лептоны). Своё открытие Резерфорд совершил с помощью эксперимента нового типа, когда изучаемый микрообъект (в данном случае атом) бомбардируется пробными частицами (в данном случае это альфа-частицы) и характер рассеяния этих частиц позволяет судить о структуре микрообъекта. В настоящее время такой способ постановки опытов является основным в физике атомного ядра и элементарных частиц.
Поскольку открытие атомного ядра неотделимо от имени Э. Резерфорда, совершим экскурс в его биографию. Резерфорд родился в Новой Зеландии в 1871 г. в семье фермера, выращивавшего лён. Свою первую книгу по физике он прочитал в 10 лет. Образование, включая высшее, он получил в Новой Зеландии, окончив местный университет и став сначала бакалавром, а затем магистром. Он был лучшим, как по физике, так и по математике.
В 1895 г. Э. Резерфорд по стипендии приехал в Англию в Кембридж в Кавендишскую лабораторию, директором которой был Дж. Дж. Томсон (Нобелевский лауреат по физике 1906 г.), открывший электрон и являвшийся автором принятой в то время модели атома (так называемого атома Томсона). Говорят, что когда извещение о получении стипендии для поездки в Англии достигло Резерфорда, он работал на семейной ферме. Бросив лопату, он сказал своей матери: «Это последняя картошка, которую я выкапываю в своей жизни». Радиоактивность только что стала известной и в 1897 г. Резерфорд принял важнейшее решение в своей научной карьере — изучать явление радиоактивности. В 1898 г. он впервые выделил 2 формы радиоактивности — а-радиоактивность (испускание ядер гелия) и б-радиоактивность (испускание электронов).
В 1898 г. Резерфорд уехал работать в университет Мак Гилла (Монреаль, Канада). Его привлекала хорошо оборудованная лаборатория и большой запас редкого и дорогого бромида радия. Вместе с Фредериком Содди (Нобелевский лауреат по химии 1921 г.) Резерфорд выполнил эксперименты, которые позволили сформулировать основные закономерности радиоактивного распада. В частности, он ввел понятие «период полураспада». Главным итогом работы Резерфорда в Канаде было открытие превращения одного химического элемента в другой (трансмутации химических элементов). Это открытие было удостоено Нобелевской премии по химии в 1908 г. В связи с этим появились шутки о физике, мгновенно трансмутировавшем в химики
В 1907 г. Резерфорд вернулся в Англию, заняв кафедру физики в Манчестерском университете. Там он возглавил команду студентов, аспирантов и стажеров, включавшую Ганса Гейгера (стажер) и Эрнеста Марсдена (аспирант). Ими и были выполнены исторические эксперименты по рассеянию а-частиц от радона золотыми фольгами, окруженными экранами из сернистого цинка. Рассеянные а-частицы, ударяясь в эти экраны, вызывали сцинтилляции, фиксируемые экспериментатором через микроскоп. Большинство а-частиц пересекали тонкие золотые фольги насквозь, но небольшое их число (примерно 1 из нескольких тысяч) испытывали рассеяние на большие углы, а некоторые даже отбрасывались назад. Поскольку из-за тонкости мишени взаимодействие а-частиц с её атомами могло быть только однократным, то результат полностью противоречил существовавшей в то время модели атома Томсона. Напомним суть этой модели. Согласно этой модели, заряд и масса атома распределены равномерно по объёму сферы диаметром порядка 1 ангстрем (10-8 см). Электроны представлялись вкрапленными в эту сферу, подобно изюму в пудинге. Такая (в основном однородная) материальная среда не обладала плотностью, необходимой для того, чтобы отбросить столь тяжелый заряженный снаряд как а-частица на большие углы. Пришлось для объяснения прибегнуть к гипотезе о наличии в атоме ядра очень малых размеров, в котором сосредоточена основная масса атома и его положительный заряд. Резерфорд следующим образом описывает свою реакцию, когда узнал о результатах эксперимента:
… Я помню… ко мне пришёл взволнованный Гейгер и сказал: «Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния а-частиц назад…». Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись от неё, попал бы в вас. При анализе этого я понял, что такое рассеяние назад должно быть результатом однократного столкновения и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд.
Анализируя данные экспериментов Гейгера и Марсдена, Резерфорд для радиуса атомного ядра золота получил верхнюю оценку ~ 5·10-12 см. Истинный радиус ядра золота (~ 6·10-13 см) был определён значительно позже в аналогичных экспериментах, но уже с a-частицами от ускорителей, имевших энергию в 5 раз более высокую, чем у радиоактивных источников. Нужно отметить следующую особенность совместной работы Резерфорда, Гейгера и Марсдена. Резерфорд был руководителем, планировавшем эксперименты и анализировавшем их результаты. Сами эксперименты самостоятельно выполняли Гейгер и Марсден. Статьи с описанием этих экспериментов всегда публиковались только под именами этих двух последних. Резерфорд никогда не был соавтором этих публикаций. Гейгер и Марсден вплоть до 1913 г. продолжали проводить всё более точные эксперименты, чтобы получить окончательные свидетельства в пользу справедливости модели атома Резерфорда и несостоятельности модели Томсона. Их окончательный вердикт (1913 г.) выглядел так: «Мы полностью подтвердили теорию профессора Резерфорда». Итак, возникла планетарная модель атома, как тяжёлого и крошечного положительного ядра, окружённого отрицательными электронами равного заряда. В эти годы ещё не были известны ни протоны, ни нейтроны и в 1914 г. Резерфорд полагал, что электроны входят и в состав ядра вместе с гипотетическими «положительными электронами», которые он назвал протонами.
Следующий важный этап в деятельности Резерфорда пришёлся на годы Первой мировой войны. Его итогом было открытие протона (было установлено, что это ядро атома водорода) и осуществление первой ядерной реакции (a-частица + ядро азота -> ядро кислорода + протон). Итак, удалось впервые осуществить искусственное превращение одного химического элемента в другой. Извиняясь перед Британским властям за своё отсутствие на фронте, он заявил, что «… я расщеплял ядро атома и это более важно, чем война».
В 1919 г. Резерфорд заменил на посту директора Кавендишской лаборатории Дж. Дж. Томсона и возглавлял эту лабораторию вплоть до своей неожиданной смерти от инфекции в 1937 г. В этом знаменитейшем центре физической науки, давшем рекордное число Нобелевских лауреатов — 17, он продолжал курировать исследование атомных ядер. Важнейшим результатом было открытие Чэдвиком в 1932 г. нейтрона (Нобелевская премия 1935 г.). После этого стало ясно, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (первыми эту гипотезу выдвинули основатель матричной квантовой механики В. Гейзенберг, профессор физического ф-та МГУ Д.Д. Иваненко и итальянский физик Э. Майорана). При подведении итога научной деятельности Э. Резерфорда неизбежен вывод о нём как о величайшем, наряду с Фарадеем экспериментаторе в истории физики, открывшем новый метод в исследовании микромира, условно именуемый как «опыт Резерфорда». Удивительно, что открывателя атомного ядра и протона, осуществившего к тому же первую ядерную реакцию, «обошла» Нобелевская премия по физике. Наверное, Резерфорду не хватило долголетия. Но чего не хватило Нобелевскому комитету?
Добавим ещё некоторые штрихи к портрету Резерфорда. Англия высоко оценила его заслуги. В 1914 г. он удостоился рыцарского звания. С 1925 г. по 1930 г. он был президентом Royal Society и, наконец, в 1930 г. стал пэром, именовавшемся лордом Rutherford of Nelson. Похоронен Э. Резерфорд в Вестминстерском аббатстве. Резерфорд не был религиозен. Женат он был один раз (любопытно, что его жена носила фамилию Ньютон). Как известно, два молодых советских физика — Петр Капица и Георгий Гамов — работали с Резерфордом.
С методом исследования микрообъектов, предложенным Резерфордом, наши студенты знакомятся в Общем ядерном практикуме, выполняя на 3-м курсе лабораторную работу «опыт Резерфорда».

Профессор И.М. Капитонов

Назад