Выдающийся учёный и учитель
Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford) родился 30 августа 1871 года в Новой Зеландии, в простой шотландской семье. Другие шотландцы тогда эмигрировали в Квебек (Канада), но семье Резерфорд не повезло и бесплатный билет на пароход правительство предоставило до Новой Зеландии, а не до Канады. Отец Эрнеста, Джеймс Резерфорд, шотландец по происхождению был механиком и фермером, мать, Марта Томпсон, была школьной учительницей из Англии. В семье было двенадцать детей. Эрнест был четвёртым ребёнком. Он был очень наблюдательным и трудолюбивым. Окончив начальную школу с рекордным количеством баллов (580 из 600), он получил премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования.
В Нельсон - колледже для мальчиков учителя обратили внимание на исключительные способности Эрнеста к математике. Любил он и физику, химию, литературу, латинский и французский языки. С детства у него была страсть к конструированию различных механизмов (он даже смастерил фотоаппарат).
В 1889 г. Резерфорд поступает в Кентерберийский колледж Новозеландского университета в Крайстчерче, где начинает серьёзно заниматься физикой и химией. Будучи студентом второго курса, Резерфорд поразил всех своим докладом, в котором утверждал, что все атомы состоят из одних и тех же составных частей (следует вспомнить, что это было в эпоху, когда по господствовавшей атомистической теории Дальтона атом представлялся неделимым). Подвергшись за своё выступление резкой критике, Резерфорд вынужден был сказать, что его доклад – чепуха. Но уже через 12 лет он имел неоспоримые доказательства правильности своих идей.
После того как в 1892 г. Резерфорду была присуждена степень бакалавра гуманитарных наук, он остался в Кентербери-колледже и продолжил свои занятия благодаря полученной стипендии по математике. На следующий год он стал магистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамены по математике и физике. Его магистерская работа касалась обнаружения высокочастотных радиоволн, существование которых было доказано около десяти лет назад. Для того чтобы изучить это явление, он сконструировал радиоприемник (за несколько лет до того, как это сделал Гульельмо Маркони) и с его помощью получал сигналы, передаваемые коллегами с расстояния полумили.
В 1894 г. Резерфорду была присуждена степень бакалавра естественных наук. В Кентербери-колледже существовала традиция: любой студент, получивший степень магистра гуманитарных наук и оставшийся в колледже, должен был провести дальнейшие исследования и получить степень бакалавра естественных наук. Затем Резерфорд в течение недолгого времени преподавал в одной из мужских школ Крайстчерча.
Первое открытие Резерфорд сделал в двадцать три года, сконструировав прибор, фиксирующий наличие электромагнитной волны.
Известие о присуждении ему, лучшему выпускнику провинциального университета, стипендии для стажировки в лучших лабораториях страны изменило его жизнь.
В 1895 г. по инициативе Джозефа Джона Томсона было решено дать возможность не только выпускникам Кембриджа продолжать работу в кембриджских лабораториях. Резерфорд был удостоен этой стипендии, так как тот, кто её сначала получил — Маккларен, отказался от неё. Осенью того же года, заняв деньги на билет на пароход до Великобритании, Резерфорд прибывает в Англию в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета и становится первым докторантом её директора Джозефа Джона Томсона. Дж. Дж. Томсон предложил ему продолжить работы с электромагнитными волнами.
Резерфорд поступил в Кавендишскую лабораторию вместе с Мак-Леннаном, Таунсендом и Ланжевеном. С Ланжевеном он работал в одной комнате, они очень подружились. Их дружба была самой тесной и неразрывной до самой смерти Резерфорда.
В 1896 г. Резерфорд установил радиосвязь на расстоянии около 3 километров и охладел к этой работе. Свой передатчик он подарил итальянскому инженеру Г. Маркони. А сам вместе с Томсоном приступает к работам по ионизации газов.
После открытия Беккереля, Резерфорд отходит от проблем, которыми занимался Томсон и которые в 1897 г. закончились открытием электрона, и увлекается работой по сравнению между собой лучей Рентгена и Беккереля. Через год он приходит к выводу, что урановое излучение не подчиняется законам световой оптики, что оно состоит из двух компонентов: первая легко поглощается даже листком бумаги и отклоняется в одну сторону, а другая обладает большой проникающей способностью и отклоняется в другую сторону. Первую из этих составляющих он назвал альфа - лучами, а вторую - бета-лучами (в 1900 г. Виллар открыл ещё одну составляющую в излучении урана - гамма-лучи).
В 1897 г. Резерфорд по рекомендации Томсона отправляется в Канаду и девять лет работает профессором физики Макгилльского университета в Монреале (Канада). Преподавание Резерфорда на первых порах шло не слишком успешно: студентам не понравились лекции, которые молодой и ещё не вполне научившийся чувствовать аудиторию профессор перенасыщал деталями. Некоторые затруднения возникли вначале и в научной работе из-за того, что задерживалось прибытие заказанных радиоактивных препаратов.
В этот период он совместно с Оуэнсом открыл новый газ радон, опубликовал в 1902 г. совместно с Ф. Содди работу "Причина и природа радиоактивности", которая произвела переворот в науке. Впервые была высказана мысль, что радиоактивность - самопроизвольный переход одних элементов в другие с испусканием лучей.
Это время знаменательно и важным событием в личной жизни Резерфорда: в 1900 году, через 5 лет после помолвки, во время краткого пребывания Резерфорда в Новой Зеландии, состоялась его свадьба с Мэри Джорджине Ньютон, дочерью хозяйки того пансиона в Крайстчерче, в котором он некогда жил. З0 марта 1901 родилась единственная дочь четы Резерфордов Эйлин-Мери. По времени это почти совпало с рождением новой главы в физической науке — физики ядра. В 23 года дочь Резерфорда – жена математика-преподавателя Кембриджского университета Фаулера – неожиданно умерла.
В 1903 г. Резерфорд доказал, что альфа-частицы несут положительный заряд. Поскольку эти частицы обладают измеримой массой, «выбрасывание» их из атома имеет решающее значение для превращения одного радиоактивного элемента в другой. Созданная теория позволила Резерфорду также предсказать, с какой скоростью различные радиоактивные элементы будут превращаться в то, что он называл дочерним материалом. Учёный был убежден, что альфа-частицы неотличимы от ядра атома гелия. Подтверждение этому было получено, когда Содди, работавший тогда с английским химиком Уильямом Рамзаем, открыл, что эманация радия содержит гелий, предполагаемую альфа-частицу.
В 1904 г. Резерфорд опубликовал фундаментальный труд "Радиоактивные вещества и их излучения", где суммировал свои исследования в этой области. За время работы в Канаде он написал пятьдесят статей. Многие из них были написаны совместно с Фредериком Содди. Теорию радиоактивного распада Резерфорд и Содди разработали в 1903 г. В этом же году Резерфорда избрали членом Лондонского Королевского общества.
В 1907 г. Резерфорд вернулся в Англию и занял должность профессора кафедры физики университета Виктории в Манчестере. С помощью Ханса Гейгера, который впоследствии прославился как изобретатель счётчика Гейгера, Резерфорд создал в Манчестере школу по изучению радиоактивности. Вместе с Гейгером он проводит работы по подсчёту альфа-частиц с помощью метода вспышек.
В 1908 г. за исследования радиоактивных элементов ему присуждена Нобелевская премия по химии.
По свидетельству биографов Резерфорда, ему особенно запомнился обед у видного шведского математика Магнуса Миттаг-Лефлера, устроенный 12 декабря 1908 г. в честь Нобелевского лауреата Резерфорда. Хозяин произнёс тост: "За молодого пионера новой науки, которая не является ни физикой, ни химией, а в то же время представляет собой и физику, и химию". Престарелый математик отметил: "Мистер Резерфорд умеет оперировать математическим аппаратом ... он знает, как планировать и проводить эксперименты; благодаря этой двойной способности он оказался в состоянии раскрыть так много сокровенных тайн природы ..." И выразил надежду, что стокгольмское общество увидит Э. Резерфорда ещё раз в качестве Нобелевского лауреата.
Но другого раза не было, хотя, по меньшей мере ещё дважды Резерфорд мог претендовать на высшую научную почесть: за разработку ядерной модели атома и за осуществление первого искусственного превращения элементов.
Узнав о присуждении ему Нобелевской премии, по химии, Резерфорд написал своему ученику Отто Гану в Берлин, что очень удивлён метаморфозе, превратившей его из физика в химика. На банкете после вручения премии он сказал: "Я имею дело со многими разнообразными превращениями, которые изучал в разные годы жизни, но самое замечательное превращение заключалось в том, что я в один миг превратился из физика в химика".
Превратившись в "химика", он счёл нужным придать своему Нобелевскому докладу химический оттенок и поэтому назвал его "О химической природе альфа - частиц радиоактивных веществ". В наше время открытие, за которое Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии, относится к физике.
К своим ученикам Резерфорд относился исключительно заботливо, ласково называл их «мальчиками», не позволял работать в лаборатории вечером и в выходные дни. Ученики любовно называли его «папой». Резерфорд был начисто лишён стремления создавать вокруг себя обстановку преклонения. Наоборот, он был иногда резким и категоричным.
В 1911 г. им была создана планетарная модель атома, в центре которой расположено массивное положительное ядро, вокруг которого по круговым орбитам вращаются отрицательные электроны. Опыты Резерфорда позволили установить физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева (он равен числу электронов в оболочке атома).
На основе экспериментов с рассеянием альфа-частиц при прохождении через тонкие слои вещества Резерфорд сделал вывод о существовании в центре атома любого химического элемента положительно заряженного ядра очень малых размеров, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
Он так описал открытие рассеяния альфа-частиц веществом: "Я должен признаться по секрету, что не верил, будто это возможно ... Это было, пожалуй, самым невероятным событием, какое я, когда - либо переживал в моей жизни. Это было почти столь неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15 – дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас".
В тот весенний день 1909 г., когда Гейгер в страшном возбуждении сообщил Резерфорду: "Нам удалось наблюдать альфа-частицы, возвращающиеся назад!", стартовала атомная физика.
Новая модель содержала противоречия, которые не мог объяснить Резерфорд. Их нельзя было устранить на основе классических представлений. Когда Нильс Бор через два года опубликовал знаменитый труд, описывающий атом как миниатюрную солнечную систему, управляемую квантовой механикой, он использовал для своей модели в качестве отправной точки ядерную теорию Резерфорда. Так же поступили Гейзенберг и Шрёдингер, когда они сконструировали более сложные атомные модели, используя классическую и волновую механику.
Резерфорд потряс наше привычное видение мира. Если даже кусок металла - кажущийся самым твердым из всех предметов - являлся в основном пустым пространством, значит, все, что мы считали вещественным, вдруг развалилось на крошечные песчинки, бегающие в необъятной пустоте!
В 1931 г. он получил титул барона и стал лордом. Свой геральдический герб пэр Англии барон Резерфорд Нельсон, как стали его звать после возведения в дворянское звание (1914), увенчал нелетающей птицей киви, символом Новой Зеландии. Рисунок герба — изображение экспоненты — кривой, характеризующей монотонный процесс убывания со временем числа радиоактивных атомов.
Первая мировая война внесла изменения в планы Резерфорда. Разъехались его ученики, сам он вынужден был заниматься акустическими методами борьбы с подводными лодками.
В 1918 г. ему удалось впервые наблюдать превращение ядра азота в кислород под воздействием альфа-частиц, – превращение одного элемента в другой.
В 1919 г. Резерфорд переехал в Кембридж и возглавил Кавендишскую лабораторию, руководителями которой до него были Максвелл, Релей, Томсон. Начинаются работы по расщеплению ядра и искусственному превращению элементов. Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 лёгких элементах.
Важная черта радиоактивности - это связанная с ней энергия. А. Беккерель, супруги Кюри и другие учёные считали энергию внешним источником. Но Резерфорд доказал, что данная энергия - которая намного мощнее, чем освобождаемая при химических реакциях, - исходит изнутри отдельных атомов урана. Этим он положил начало важной концепции атомной энергии.
Предсказание Резерфорда о наличие в ядре атома нейтральной частицы было в 1932 г. экспериментально подтверждено его учеником Чэдвиком, открывшим нейтрон. Резерфорду же принадлежит идея использования нейтронов в цепной реакции.
С 1925 по 1930 годы Резерфорд был президентом Королевского общества.
В одном из писем сэру Генри Тизарду Резерфорд писал: «Только что заново прочёл некоторые из моих ранних работ и, представьте, когда закончил, сказал самому себе: «Резерфорд, мой мальчик, а ты, оказывается, был чертовски умным малым».
Резерфорд был экспериментатором, и в этом отношении напоминал Фарадея. Он мало пользовался формулами и мало прибегал к математике. Иной раз, пытаясь вывести формулу, он путался и писал просто результат, замечая: „Если всё вывести правильно, то так и получится".
Резерфорд всегда обсуждал результаты экспериментов со своими учениками и очень серьёзно относился к их предложениям. Несмотря на вспыльчивый характер, он умел прислушиваться к справедливым замечаниям.
"Он прекрасно умеет владеть собой, – говорил о нём Н. Бор, – и, хотя никогда не старается казаться уравновешенным, всегда очень здраво относится к критике, как по своему адресу, так и по адресу своих ассистентов."
Находясь на вершине своей карьеры, учёный привлекал к работе в своей лаборатории в Кембридже много талантливых молодых физиков. Несмотря на то, что у самого Резерфорда оставалось из-за этого меньше времени на активную исследовательскую работу, его глубокая заинтересованность в проводимых исследованиях и чёткое руководство помогали поддерживать высокий уровень работ, осуществляемых в его лаборатории. Ученики и коллеги вспоминали об учёном как о милом, добром человеке. Наряду с присущим ему как теоретику даром предвидения Резерфорд обладал практической жилкой. Именно благодаря ней он был всегда точен в объяснении наблюдаемых явлений, какими бы необычными они на первый взгляд ни казались. Его справедливо считали своим учителем десятки учёных, в том числе, и удостоенные впоследствии Нобелевских премий: Генри Мозли, Джеймс Чедвик, Джон Дуглас Кокрофт, М. Олифант, В. Гейтлер, Отто Ган, Петр Леонидович Капица, Юлий Борисович Харитон, Георгий Антонович Гамов.
Любимым его учеником был П.Л. Капица, проработавший в Кембридже 13 лет. Капица вспоминал о своём учителе: "К людям он относился исключительно заботливо, особенно к своим ученикам... Резерфорд не позволял работать дольше 6 часов вечера в лаборатории, а по выходным дням не позволял работать совсем. Я протестовал, но он сказал: "Совершенно достаточно работать до 6 часов вечера в лаборатории, остальное время надо думать. Плохи те люди, которые слишком много работают и слишком мало думают".
П. Капица вспоминал, что завершив свою первую научную работу, он преподнёс Резерфорду оттиск и сделал на нём надпись, что эта работа - доказательство того, что он пришёл к нему работать, а не заниматься коммунистической пропагандой. Резерфорд сильно рассердился и вернул оттиск. Капица это предвидел: у него был заготовлен другой оттиск с подобающей надписью. Резерфорд оценил его дальновидность, и инцидент был исчерпан. Для Резерфорда была характерна быстрая вспыльчивость, но так же быстро он и отходил.
Наблюдая Резерфорда вблизи, вспоминал П.Л. Капица, можно было видеть, какое колоссальное количество работы он выполнял. Он всё время работал и всё время искал чего - то нового. Резерфорд сообщал коллегам только о своих работах с положительными результатами, что составляло лишь несколько процентов той работы, которую он проводил. Остальное оставалось неизвестным даже его ученикам.
В "Воспоминаниях о профессоре Резерфорде" Капица писал: "Наружностью он был довольно плотный, роста выше среднего, глаза у него были голубые, всегда очень весёлые, лицо очень выразительное. Он был подвижен, голос у него был громкий, он плохо умел его модулировать, все знали об этом, и по интонации можно было судить - в духе профессор или нет. Во всей его манере общения с людьми сразу с первого слова бросались в глаза его искренность и непосредственность. Ответы его всегда были кратки, ясны и точны. Когда ему что-нибудь рассказывали, он немедленно реагировал, что бы это ни было. С ним можно было обсуждать любую проблему - он сразу начинал охотно говорить о ней".
Своеобразный голос Резерфорда, встретившего кого-нибудь в коридоре, предупреждал тех, кто был в лабораториях, о приближении шефа. Это дало Капице основание прозвать его Крокодилом (в одной английской детской книжке рассказывалось о крокодиле, который проглотил будильник, и его тиканье предупреждало детей о приближении Страшного зверя).
Когда в 1933 г. на территории Кембриджского университета для Капицы была построена большая лаборатория, названная в честь английского химика Людвига Монда (1839 - 1909), на торцевой стене 2-этажного здания был высечен по камню огромный, во всю стену крокодил. Резерфорд сам объяснил, что это он. Входную дверь открыли позолочённым ключом в форме крокодила.
Ежедневно в половине пятого Резерфорд собирал сотрудников у себя дома или в специально отведённой комнате для беседы за чашкой чая, где обсуждались не только научные проблемы и результаты экспериментов, но и вопросы политики, литературы, искусства. Резерфорд очень интересовался устройством различных ма¬шин и механизмов. Он любил разбирать часы, хотя обратный процесс ему не всегда удавался.
П.Л. Капица вспоминал: «Резерфорд охотно рассказывал о своих опытах, любил показывать свои установки и эксперименты. Он любил сопровождать рассказ рисунками, для этого у него в жилетном кармане всегда было несколько маленьких огрызков карандашей. Он держал карандаш по - особому, мне всегда казалось - очень неудобным образом, как- то концами трёх пальцев. Чертил он слегка дрожащей рукой, рисунок был прост, состоял из небольшого числа штрихов, сделанных с большим нажимом. Довольно часто остриё карандаша ломалось, тогда вынимался из кармана другой огрызок.
Многие физики, особенно теоретики, любят научные споры; процесс спора для них - способ мышления. Я никогда не слышал, чтобы Резерфорд спорил. Он высказывал своё мнение очень коротко и с предельной ясностью и конкретностью; если ему возражали, то он с интересом выслушивал возражения, но на этом дискуссия и кончалась».
Американский профессор Уилфрид Льюис, работавший с Резерфордом в 1930 - 1933 г.г., вспоминал: «Резерфорд приходил в лабораторию к 10 часам и, вешая свою шляпу и зонтик на крючок, начинал с расспросов о том, что достигнуто за предыдущий день, или извещал нас о каком-нибудь посетителе. Затем после краткого 5-20 - минутного обсуждения он удалялся в свой кабинет».
