Имя лорда Эрнеста Резерфорда часто называют вместе с Альбертом Эйнштейном, Марком Планком и Нильсом Бором. К 150-летнему дню рождения ученого «Мел» рассказывает, как сын фермера из Новой Зеландии сумел понять устройство атома и получил Нобелевскую премию.
Об Эрнесте Резерфорде мы узнаем в школе. Читаем в учебнике физики описание его классического опыта бомбардировки альфа-частицами тоненькой пластины золота; учим параграфы о том, что он открыл строение атома, создал научную школу, получил Нобелевскую премию; именно его открытия трансурановых элементов дали начало ядерной физике, ядерному оружию и атомным станциям; не будь Резерфорда, мир не знал бы ускорителей и Большого адронного коллайдера — но жизнь автора планетарной модели атома и его страсть к науке тоже впечатляющи.
Мальчик с берегов пролива Кука
Будущий баронет, лорд, лауреат всех мыслимых премий и немыслимых званий, один из самых крупных ученых ХХ века родился в зимний день 30 августа 1871 года на Южном острове, в деревне Спринг Гроув (переименованной позднее в Брайтуотер), в семье колесного мастера Джеймса Резерфорда, эмигрировавшего из Англии по квоте переселенцев в колонии.
Да, мы не ошиблись, написав про зимний августовский день — дело происходило в Южном полушарии, в Новой Зеландии, проще говоря, на краю света. Там Резерфорды оказались волею случая — они собирались в Канаду, но бесплатные билеты им достались в Новую Зеландию. Так судьба играет человеком.
Мальчика назвали Эрнестом, а вообще у Резерфордов в детях недостатка не было: семь сыновей и пять дочерей родились у фермера Джеймса и его жены, учительницы Марты. Эрнест был четвертым, его с рождения отличали удивительная память, рост, сила и здоровье.
Со временем семья переехала из Спринг Гроув Южного острова в маленькое селение Пунгареху среди солнечных холмов и влажных долин «райской» провинции Таранаки Северного острова. Здесь в 1880-е решил обосноваться отец Резерфорда, его влекли свомпы — полные влаги земли, отлично подходящие для выращивания льна. Это была настоящая глухая колония, задворки острова, который маори называли Те Ика а Мауи — Рыба Мауи. Именно эти места будет считать родными лорд Резерфорд.
Эрнест с отличием окончил начальную школу в Пунгареху, получил премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения учебы в колледже Нельсона, где снова отличился, и получил следующую стипендию для учебы в университете Крайстчерча, столицы провинции Кентербери.
Резерфорд стал студентом под номером 338 — как видите, не так много стипендиатов прошли через стены провинциального островного университета за 15 лет работы. Эрнест, выбиравший между физикой и математикой, сразу принялся за исследования — профессор Биккертон сумел увлечь его физикой, показав, как много в ней нерешенных проблем.
Резерфорд показал себя независимым исследователем и прилежным экспериментатором: он сам определял тему своих исследований, разрабатывал программу опытов, конструировал приборы для регистрации событий и был способен засиживаться в скромной лаборатории допоздна.
Интуиция, еще один дар Резерфорда, обнаружила себя с небывалой силой: его магистерская работа 1892 года на тему «Намагничивание железа при высокочастотных разрядах» исследовала в сущности одну из самых горячих тем в науке — радиоволны, существование которых было доказано в 1888 году Генрихом Герцем. Над проблемой улавливания волн и беспроводной связи в то же время работали двое замечательных ученых — Александр Попов и Гульельмо Маркони.
21-летний Резерфорд в своей, как сказали бы мы сегодня, дипломной работе изобрел магнитный детектор, один из первых приёмников электромагнитных волн. Конечно, он не выиграл гонку за радио (и Попов, и Маркони продвинулись чуть дальше в своих научных и изобретательских поисках), но сильная и качественная научная дипломная работа дала ему стипендию для продолжения обучения в Кембридже. Он уезжал в Англию докторантом, оставляя в Новой Зеландии невесту Мэри Ньютон, братьев и сестер, зеленые холмы Северного острова и ближайшего друга — свою мать.
«Заслуга более твоя, чем моя»
Известие о полученной стипендии, по легенде, застало молодого Эрнеста Резерфорда на поле отцовской фермы. Там он кинул на землю лопату и закричал: «Это последняя картошка, которую я выкопал!»
Эти слова нам известны в пересказе Марты Резерфорд, его матери. Всю жизнь она была одним из самых близких людей для своего сына, первой учительницей и конфидентом. Их взаимопонимание было удивительным, а переписка постоянной (и частой), несмотря на то, что они почти всю жизнь прожили вдалеке друг от друга. Мать называла его «Моцарт» и рассказывала, как он умел удивить — еще в детстве прочитывал учебник «и сразу всё знал»!
«Ты не можешь не знать, какое чувство радости и благодарности переполняет меня при мысли, что бог благословил и увенчал успехами твой гений и твои усилия. Дабы смог ты подняться к еще более высоким вершинам славы и жить вблизи бога, подобно лорду Кельвину, об этом мои молитвы, это мое серьезнейшее желание.»
Марта Резерфорд — сыну Эрнесту (цитируется по книге «Эрнест Резерфорд. ЖЗЛ». Д. Данин)
Когда в 1931 году 60-летнего физика, серьезного ученого, нобелевского лауреата Эрнеста Резерфорда наградили титулом баронета и званием лорда, он первым делом отправил в Новую Зеландию телеграмму. Марте Резерфорд, вдове фермера, было 88. В телеграмме было всего несколько слов: «Итак — лорд Резерфорд. Заслуга более твоя, чем моя. Люблю. Эрнест».
Дикий кролик из страны антиподов, который роет глубоко
В 1895 году уже начинали подводить итоги XIX столетия. Век выдался великим для физики: классическая механика, электромагнетизм, закон сохранения энергии, термодинамика. Многие считали, что человечество вплотную подошло к пределу знаний и великие явления все открыты. «Теоретическая физика закончена. Дифференциальные уравнения сформулированы, методы их решения разработаны. Можно вычислять отдельные частные случаи. Но стоит ли отдавать такому делу свою жизнь?» — спрашивал мюнхенский профессор Филипп Жолли своего студента Макса Планка.
К счастью, молодой и дерзкий магистр наук из Новой Зеландии, стипендиат Эрнест Резерфорд был полон энтузиазма. Прибыв в Англию, он тут же написал главе Кавендишской лаборатории Кембриджа, Джону Джозефу Томсону о том, что мечтает работать в Кавендише.
Его приняли — это был первый год, когда Томсону разрешили брать докторантов из других стран
Кавендишская лаборатория была чуть не самым молодым научным учреждением Кембриджа; тут занимались удивительными вещами — например, исследовали прохождение электричества через газы (за эту работу Джон Томсон получит Нобелевскую премию 1906 года, и пятеро его учеников повторят этот успех).
Резерфорд планировал продолжать заниматься детектором волн Герца, но в 1896 году оказалось, что министерство почт Великобритании уже выделило деньги Маркони (он, в отличие от Попова, запатентовал прибор беспроводной связи) на работу с радиоволнами. Тогда Резерфорд решил заняться рентгеновскими лучами — Томсон, как и все передовые физики мира, был увлечен этим новым открытием. Радиоволны Резерфорд отставил навсегда, он уже не был бы в них первым (вопрос не самолюбия, а научного любопытства). Он стал ассистировать Томсону в вопросе изучения, что происходит с газом при ионизации.
Представьте себе запаянный стеклянный баллон с двумя электродами, положительным и отрицательным. Если заполнить разными газами баллон и пропустить ток, возникали интересные картины свечения: бывали молнии, поток лучей, который менял направление при действии магнитного поля, заставляя стекло фосфоресцировать.
Мюнхенский физик Вильгельм Рентген был внимательным экспериментатором. Вечером 8 ноября 1895 года он остался в лаборатории один, но продолжал работу: включил ток в стеклянном баллоне, закрытом со всех сторон плотным чёрным картоном. Рядом лежала бумага, покрытая слоем солей бария, платины и синильной кислоты, она начала светиться.
Так были открыты Х-лучи, которые позже назвали рентгеновскими — проникающее излучение неизвестной природы
Оно тут же заинтересовало несколько команд физиков в мире — Анри Беккереля и супругов Кюри в Париже (они начнут исследования в 1897), Джозефа Томсона в Кавендише. И Эрнеста Резерфорда, его докторанта, который в марте 1896 года начал работать над новой темой: пропускать рентгеновские лучи через баллоны с газом.
Уже 24 февраля 1896 года Анри Беккерель опубликовал сообщение о том, что урано-калиевая соль засвечивает фотографическую пластинку. Это была радиоактивность — которую еще не открыли и слова этого еще не ввели в научный оборот; и кому-то предстояло этим заняться.
Уран был загадочен и непонятен: почему он испускает рентгеновские лучи и не перестает их испускать — все время с одинаковой силой, непрерывно. Его нагревали, охлаждали, пропускали ток и вводили в магнитное поле, а он все испускал лучи неясной природы.
В начале 1897 года впервые взял в руки урановую соль Эрнест Резерфорд
До того они с Томсоном сделали хорошую работу — научились облучением делать газ проводником электричества и снимать проводимость, прекращая облучение. Она стала эпохальной, эта работа по электропроводности газов, и вела прямо к открытию строения атома. Текст статьи «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию рентгеновых лучей» был опубликован в ноябре 1896 года лондонским «Philosophical Magazine».
Тогда Резерфорда в Кавендише назвали «диким кроликом из страны антиподов, который роет очень глубоко», и к тому же времени относится цитата Резерфорда: «Ионы — это веселые малыши, вы можете наблюдать их едва ли не воочию».
Во время опытов с электропроводимостью газов Томсон сделал попытку измерить массы положительных и отрицательных частиц и очень удивился: частицы, несущие отрицательный заряд, были по меньшей мере в 1000 раз легче легчайшего атома.
В XX веке откроют, что масса электрона примерно в 1837 раз меньше массы водородного ядра — протона. Томсон назвал этих крошечных носителей отрицательного электричества «корпускулами» (слово «электрон» в этом качестве начнут использовать позже). 30 апреля 1897 года Томсон сделал доклад об этих частицах: ему никто не поверил. Частицы меньше атома? Этого не может быть!
Но ученик Томсона Резерфорд в феврале 1898 начал работать над темой «Урановая радиация и создаваемая ею электрическая проводимость» — и переоткрыл излучение урана. Да, в этом году Эрнест Резерфорд открыл альфа- и бета- излучения: поместил излучающие вещества в магнитное поле и установил, что один лучевой поток отклоняется влево, другой — вправо, а третий не отклоняется вовсе. Его классическая работа была опубликована в 1899 году, и вот она-то по-настоящему и закрыла XIX век, вплотную приблизившись к теории строения вещества: тяжелые, положительно заряженные частицы с невысокой проникающей способностью, получившие название альфа-излучения, и легкие, отрицательно заряженные частицы с гораздо большим пробегом, которые он назвал бета-излучением.
Это было началом. 12 апреля 1898 года в академии Парижа тридцатилетняя Мария Кюри сделала сообщение «О лучах, испускаемых соединениями урана и тория». Резерфорду было 27, и научное соревнование только заставило его бежать еще быстрее.
В 1898-м Мария и Пьер Кюри сделали сообщение о новом радиоактивном веществе, содержащемся в урановой руде. Появилось слово и понятие радиоактивности. Но их доклад заканчивался фразой: «Причина и происхождение радиации, непрерывно испускаемой ураном и его солями, пока остаются тайной».
Резерфорд излучает
Осенью 1898 года Резерфорд получил профессорскую кафедру и оклад, который делал возможным его женитьбу на Мэри Ньютон. Путь ему лежал через океан, в Монреаль, там, в университете Макгилла, он стал заведовать физическим отделением и скоро превратил Монреаль в один из передовых центров мира в современной физике.
Лектор из Резерфорда получился не очень впечатляющий, а вот как руководителю и исследователю ему не было равных. В 1899 году сотрудники университета Макгилла Оуэнс и Резерфорд представили статью «Радиация урана и тория», где изучали постоянную радиоактивность урана и переменную — тория.
Уже летом 1899 Резерфорд открыл так называемую «эманацию тория» (это был радиоактивный изотоп радон-220) и пришел к понятию «возбужденной радиоактивности». Голос его в те дни раздавался во всех, казалось, комнатах особняка физического факультета. Резерфорд был громогласен, как Зевс, его интеллект был незауряден, ученость — очевидна, характер — независим, юмор — проницателен, а происхождение ошеломляло простотой; его манеры были простонародны, акцент колониален. Он сам казался радиактивным, столько он возбуждал идей и открытий, а впоследствии оказалось, что он и был радиактивен, после тысяч поставленных им опытов кабинет Резерфорда в Монреале все еще вызывает потрескивание счетчика Гейгера, а любимое место у доски искрит. В 1900-м Резерфорд привез из Новой Зеландии Мэри Ньютон и женился на ней, в 1901 у них родилась дочь Эйлин.
В Париже тем временем супруги Кюри открыли радий и полоний; при изучении различных радиактивных элементов был обнаружен период (еще не полураспада и распада) ослабления радиации: 1 минута для эманации, 660 минут для возбужденной радиоактивности.
Но Резерфорду, чтобы продвигаться дальше в исследованиях, нужен был химик, и не просто химик, а радиохимик — а этой отрасли науки еще просто не было; на счастье человечества, в Монреаль приехал Фредерик Содди, молодой химик из Оксфорда (и тоже будущий нобелевский лауреат). Их работа 1902 года называлась «Радиоактивность соединений тория», но подзаголовок был, как мы бы сказали сегодня, горячим: «Причина и природа радиоактивности». В ней был дан грубый, первый набросок будущей модели атома.
В результате продуманной серии экспериментов в 1903 году Резерфорд и Содди заметили и поняли, что испускание луча радиоактивным веществом — сигнал об акте превращения атома, каждый всплеск — знак того, что один из атомов претерпел серьезные изменения. Это стало великой работой «Причина и природа радиоактивности», в которой излагалась теория радиактивного распада.
«Я почувствовал, как колотится мое сердце, и, словно уносимый некоей силой, действующей извне, услышал со стороны, как произношу невероятные слова: «Резерфорд, это превращение элементов!»"
Фредерик Содди
Это было открытие естественного превращения элементов, благодаря которому физики смогли понять процесс появления новых веществ в топках новых и сверхновых, это был важный вклад в копилку знаний об устройстве мира. В том же году Беккерель и Кюри получили Нобеля «за открытие радия и полония».
В 32 года Эрнест Резерфорд был избран академиком Лондонской королевской академии, и в том же 1903 году Мария Кюри защитила докторскую диссертацию: Резерфорд был на празднике, и заметил, что руки профессора Кюри были сильно воспалены — это была радиация. Впрочем, в те годы лучевая болезнь никого еще не страшила. Представляете, как излучал столик счастливых, еще молодых, но уже ведущих физиков мира в ресторане Парижа? Резерфорд, Кюри, Беккерель — им было что отпраздновать, и они были веселы, счастливы, полны надежд; но счетчик Гейгера уже трещал над ними. До фразы Резерфорда «Некий дурак в лаборатории сможет взорвать ничего не подозревающую Вселенную» еще было далеко.
Манчестер
В 1907 году Эрнест Резерфорд уехал из Канады и возглавил отделение физики в университете Манчестера. В следующем, 1908 году, 37-летнему Резерфорду была присуждена Нобелевская премия «за исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». После полуголодной жизни на небольшой оклад профессора, Нобель был и признанием, и богатством. Это сразу почувствовала дочь Резерфорда Эйлин, которой в Рождество 1908 года подарили неслыханные подарки. Лауреатами 1908 года стали Илья Мечников, Габриэль Липпман и Пауль Эрлих — все они были много старше молодого профессора Резерфорда.
В Манчестере у Резерфорда появился новый соавтор — Гейгер, вместе они написали статью «Заряд и природа альфа-частицы». В опытах одного из учеников Резерфорда были получены результаты бомбардировок альфа-частицами тоненького листа золота. Некоторые (очень некоторые!) из альфа-частиц отклонялись от направления и будто столкнувшись с чем-то, летели назад.
«Д-р Резерфорд — единственный из живущих, кто обещает даровать человечеству, как итог открытия радия, неоценимое благо. Я бы посоветовала Англии беречь д-ра Резерфорда…»
Мария Кюри
Планетарная модель
Именно изменение траектории части альфа-частиц натолкнуло Резерфорда на понимание того, как устроен атом. В самом начале 1911 года дома у Резефордов в Манчестере собрались ученики профессора: он хотел сделать небольшое сообщение. Сохранился рисунок: в центре круга жирная чернильная точка и поверх нее знак «+» — положительно заряженное ядро атома. А между центром и круговой границей россыпь частиц, обозначенных знаком «-», таким стало первое знакомство с прорывной идеей Резефорда о том, как устроен атом. Многие из аспирантов физического факультета навсегда запомнили этот день. В мае 1911 года незабываемый день настал уже для физиков всего мира: в выпуске «Philosophical magazine» появилась статья — «Рассеяние альфа- и бета-частиц в веществе и структура атома».
Мир быстро и неотвратимо менялся: уже в июне 1911 года в Брюсселе было созвано совещание ведущих физиков Европы для обсуждения проблемы «излучения и квантов». А к Резерфорду в Манчестер приехал учиться датский докторант Нильс Бор, ставший необычайно близок Резерфордам, будущий автор неклассической механики атома. Он теоретически обоснует (на совсем другом уровне) планетарную модель атома Резерфорда. Статья «О конституции атомов и молекул» Нильса Бора вышла в 1913 году, это было новое открытие микромира.
Крокодил и герб с птицей киви
В 1913 году еще один великий аспирант мистера Резерфорда, Генри Мозли, экспериментально доказал идею «Заряд ядра равен номеру элемента в менделеевской таблице». Резерфорд написал статью в Nature, что его сотрудник Г. Г. Дж. Мозли получил «сильнейшее и убедительнейшее доказательство того, что заряд ядра равен номеру элемента» и, следовательно, число электронов в атоме равно атомному номеру элемента, ибо таков по величине положительный заряд ядра, а в целом атом нейтрален. А мистеру Резерфорду не так долго уже оставалось быть мистером: в 1914 году он стал рыцарем, сэром.
Началась война, а Резерфорды отправились за океан, в Новую Зеландию; вернувшись, они увидели, что лаборатория опустела: докторанты были призваны на фронт. Вот только гениальный Генри Мозли с войны не вернулся — он погиб в ходе Дарданелльской операции.
Только после войны исследования Резерфорда возобновились; а в 1921 в его лабораторию приехал молодой физик из России, Петр Капица
Известно, что Капица прозвал Резерфорда Крокодилом, по одной из версий (ее приводит Ф. Кедров в книге «Капица: жизнь и открытия»), это именно Крокодил из «Питера Пэна», громогласный, решительный и проглотивший будильник: это тиканье предупреждало детей о приближении страшного зверя. В 1931 году Резерфорд стал пэром Англии, баронетом Нельсоновским — и свой герб украсил новозеландской птицей киви. На гербе изображена экспонента — кривая процесса убывания со временем числа радиоактивных атомов.
Когда в 1933 году в Кембридже состоялось открытие здания лаборатории Капицы, многие заметили, что на торцевой стене двухэтажного здания высечен огромный, во всю стену крокодил — это был портрет Резерфорда.
Лорд Эрнест Резерфорд умер в 1937 году от ущемления грыжи. Ему было 66, еще не началась страшная Вторая мировая, атомные бомбы, чудовищное последствие и его открытий, еще не упали на Хиросиму и Нагасаки. Резерфорд, один из величайших ученых ХХ века, похоронен рядом с Ньютоном, Дарвином и Фарадеем.
Осталось три тома его работ, открытие радиактивности, строения атома. Все его работы экспериментально подтверждены. Химический элемент 104 в периодической таблице называется «резерфордий».
На обложке: Эрнест Резерфорд в университете Макгилла, 1905 год. Фото: Wikimedia Commons / CC BY 4.0
