Везучий резерфорд: мужчины спорят омоделях

      Комментарии к записи Везучий резерфорд: мужчины спорят омоделях отключены

Везучий резерфорд: мужчины спорят омоделях

Не появись прекрасным, а появись радостным, гласит народная мудрость, которая, конечно, касается и людей науки. Успех посещает ученых весьма по-различному — к примеру, нечаянное наблюдение может обернуться превосходным открытием.

Как раз так американский радиоинженер Карл Янски открыл радиоволны звездного происхождения, а его соотечественники Арно Пензиас и Роберт Уилсон через 32 года нашли космическое реликтовое излучение, ставшее самым веским доказательством справедливости теории Громадного Взрыва. Фортуна проявляет себя и неожиданным озарением гениальной идеей, и встречей с хорошими партнерами по работе, а также своевременной отправкой рукописи в редакцию.

А бывает и в противном случае. Великий механик Жозеф и французский математик Луи Лагранж именовал Исаака Ньютона не только самым очень способным, вместе с тем самым радостным из ученых, потому, что Ньютон раскрыл совокупность мира, а такое возможно свершить только единожды. В этом Лагранж совершил ошибку — ньютоновская космология ушла в прошлое.

Главное везение Ньютона заключалось в другом. Ему выпало показаться на свет как раз тогда, в то время, когда юная европейская наука была беременна двумя великими революциями: математической (разработка дифференциального и интегрального исчисления) и физико-астрономической (открытие правил классической механики и объяснение на их базе кеплеровских законов перемещения планет). С этими задачами имел возможность совладать лишь гений — и он показался в свое время и на своем месте.

В начале 60-х годов XVII века благосклонность судьбы закинула феноменально одаренного молодого человека из британской провинции в Кембриджский университет, где он полностью реализовал собственный фантастический интеллектуальный потенциал. В этом Ньютон был по-настоящему радостен.

Удачи Резерфорда

не меньше удачливым был и новозеландец Эрнест Резерфорд. Его заслуженно именуют отцом ядерной физики и величайшим физиком-экспериментатором ХХ столетия. Резерфорд первым осознал, как устроен атом, первым идентифицировал протон как независимую элементарную частицу (и дал ему имя) и первым же осуществил неестественную ядерную реакцию, перевоплотив азот в кислород.

Изучения его сотрудников и учеников стали причиной изобретению ионизационного счетчика заряженных частиц (Иоганнес Гейгер), обнаружению связи между местом элемента в таблице Менделеева и спектром его рентгеновского излучения (Генри Гвин Мозли), созданию линейного ускорителя протонов и применению его для расщепления искусственного получения и атомного ядра радиоактивных изотопов (Джон Кокрофт и Томас Уолтон), открытию нейтрона (Джеймс Чедвик), выделению гелия-3 и трития (Маркус Олифант и Пауль Хартек), получению сверхсильных магнитных полей (Петр Капица) — и это далеко не полный перечень. И не смотря на то, что в старости Резерфорд не избежал разочарований и тревог, в зрелые годы и молодые он с полным правом имел возможность принимать во внимание баловнем фортуны.

Но была в жизни ученого и еще одна, совсем особенная успех, о которой нечасто вспоминают историки науки. Его наибольший вклад в физику — ядерная модель атома, совсем сложившаяся где-то в начале 1911 года. Чтобы ее сформулировать, кроме очень способного прозрения была нужна необыкновенная смелость — так как с позиций хорошей электродинамики Максвелла таковой атом просто не мог существовать!

Этот гордиев узел удалось разрубить только Нильсу Бору, что два года спустя посредством квантовых представлений возвратил резерфордовскому атому право на судьбу.

Резерфорд обосновал собственную модель посредством формулы, которую сам же вывел и которая носит его имя. Но сейчас мы знаем, что предпосылки, которыми Резерфорд воспользовался для этого вывода, не соответствовали физической действительности. И все же в эту формулу, как ни необычно, замечательно укладывались экспериментальные результаты!

Но из этого не нужно, что строение величайшего открытия Резерфорда покоилось на песке — по чистой случайности его фундамент был прочнейшим гранитом. В общем, отцу ядерной физики повезло совсем особым образом.

Время Резерфорда

Эрнест Резерфорд появился 30 августа 1871 года в городе Спринг Гроув на Южном острове Новой Зеландии. В первой половине 90-ых годов XIX века он поступил в Кентербери-колледж, а в 1894-м взял стипендию для продолжения образования в Кембридже, где был первым аспирантом-исследователем, не закончившим этого прославленного британского университета. Он трудился над диссертацией в известной Кавендишской лаборатории, которую тогда управлял Джозеф Джон Томсон.

В 1919 году Резерфорд поменял Томсона на этом посту и оставался директором лаборатории до последнего дня собственной жизни — 19 октября 1937 года.

В Кембридже аспирант из Новой Зеландии сперва занимался электромагнитными явлениями и, например, в феврале 1896 года собрал самый чувствительный в мире детектор электромагнитных волн с радиусом действия в пара сотен метров, мало опередив и Попова, и Маркони. Он имел возможность бы стать одним из изобретателей радио, но будущее распорядилась в противном случае. Томсон поручил Резерфорду изучение электропроводимости ионизированных рентгеновскими лучами газов.

На протяжении работы Резерфорд задумался над изюминками ионизации газов под действием тогда еще совсем загадочного самопроизвольного излучения урана, которое французский физик Антуан Анри Беккерель нашёл в феврале 1896 года. Выбор был важным — юный физик на всегда увлекся радиоактивностью и связанными с ней явлениями. направляться подчернуть, что самого термина в то время еще не существовало — Мария Склодовская-Кюри придумала его по окончании того, как во второй половине 90-ых годов XIX века совместно с Пьером Кюри открыла излучение тория.

Это было превосходное время — рождалась новая наука о микромире. В то время, когда Резерфорд трудился у Томсона, тот положил начало идентификации и эпохе поиска субатомных объектов, совсем малоизвестных науке. Во второй половине 90-ых годов XIX века он установил, что катодные лучи являются потоком отрицательно заряженных частиц, масса которых в 2000 раз меньше массы атома водорода.

Так произошло открытие элементарной частицы номер 1 — электрона (это наименование мало позднее внес предложение великий голландский физик Хендрик Антон Лоренц). А следующий ход сделал уже сам Резерфорд. Во второй половине 90-ых годов девятнадцатого века 25-летний исследователь понял, что уран испускает два вида эманации, и назвал их альфа- и бета-лучами.

К тому времени он покинул Кембридж и трудился в Канаде, в Монреальском университете имени Мак-Гилла. В том месте он оставался до мая 1907 года, по окончании чего возвратился в Англию новоизбранным доктором физических наук Манчестерского университета.

Природа бета-лучей выяснилась во второй половине 90-ых годов девятнадцатого века, в то время, когда Фриц Гейзель, Беккерель и госпожа Кюри заключили, что это легко стремительные электроны. Проблему альфа-частиц по большей части разрешил сам Резерфорд в радостном для себя 1908 году, принесшем ему Нобелевскую премию по химии. Он доказал, что в том месте, где присутствует источник альфа-излучения, появляются атомы гелия (на данный момент кроме того школьник знает, что альфа-частицы — это ядра гелия-4, но тогда понятия ядра атома просто не существовало).

А в промежутке между этими событиями француз Поль Виллар открыл у урана еще один вид излучения, которое тот же Резерфорд обозначил третьей буквой греческого алфавита (со временем стало известно, что гамма-лучи являются электромагнитные кванты высоких энергий).

Для описания всех работ Резерфорда, которые связаны с изучением радиоактивности, нам просто не хватит места. Но через два года по окончании возвращения в Англию он радикально обновил собственную исследовательскую программу. Еще в Канаде он начал догадываться, что альфа-частицы возможно применять для зондирования структуры атомов, но занялся этим на практике уже в Манчестере.

формула и Эксперимент

Но возвратимся к Резерфорду и его альфа-частицам. В Манчестерском университете трудился германский физик-экспериментатор Иоганнес Гейгер, что стал главным ассистентом Резерфорда. В 1909 году он сообщил шефу, что старшекурсник Эрнест Марсден ищет тему дипломного изучения.

Резерфорд отыскал в памяти о собственном канадском плане и внес предложение Марсдену заняться отражением альфа-частиц от железных поверхностей.

Марсден спроектировал экспериментальную установку и сам же ее изготовил. Это была герметичная свинцовая камера, в которой лежал кусочек радия. Испускаемые радием альфа-частицы проходили через узкое отверстие в свинцовой пластине, вырезавшее из них прекрасно коллимированный пучок, что падал на мишень из узкой золотой фольги. Перед началом очередной серии наблюдений из камеры выкачивали воздушное пространство.

В ней имелся покрытый сернистым цинком мобильной экран, испускавший под ударами альфа-частиц весьма не сильный вспышки света. Изменяя положения экрана, возможно было регистрировать частицы, отразившиеся от мишени под любым углом. Вспышки замечали через окно в стенке камеры посредством 50-кратного микроскопа.

Казалось, что результаты всецело соответствуют ожиданиям: частицы-боеприпасы легко пронизывали фольгу, незначительно изменяя направления (позднее Гейгер вычислил, что самый вероятный угол рассеяния при толщине фольги 0,4 микрона образовывает 0,87 градуса). На этом опыт имел возможность бы закончиться, но Резерфорд внес предложение взглянуть, не уходят ли альфа-частицы на громадные углы. Позднее он вспоминал, что не через чур верил в эту возможность.

Как бы то ни было, скоро случилось то, что Резерфорд назвал самым немыслимым событием собственной жизни. Оказалось, что кое-какие альфа-частицы не только рассеиваются перпендикулярно начальному направлению пучка (для золотой фольги толщиной 0,4 микрона приблизительно одна из двадцати тысяч), но кроме того отбрасываются назад. Модель Томсона для того чтобы фактически не допускала.

По словам Резерфорда, это было все равно как если бы пятнадцатидюймовый боеприпас отразился от бумажной салфетки.

Результаты Гейгера и Марсдена были размещены в научных изданиях, но сенсации не произвели. А вот Резерфорд погрузился в раздумья. В течение всего 1910 года он пробовал подобрать для них объяснение, но задача была тяжёлой. Но в декабре Резерфорд написал американскому исследователю радиоактивности Бертраму Болтвуду, что рассчитывает скоро предложить новую модель атома, большое количество лучшую, нежели томсоновская.

Уже через четыре месяца он послал в издание Philosophical Magazine статью с подробным анализом результатов собственных других учёных и сотрудников, взятых при изучении рассеяния альфа-электронов и частиц на разных металлах. В конце данной работы он констатирует: «При рассмотрении данных в целом, по-видимому, самый простым есть предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по весьма малому количеству». Это и была начальная формулировка резерфордовской модели атома.

О том, что электроны обращаются около ядра наподобие планет, тут нет и речи, данный вопрос Резерфорд покинул открытым — и не просто так. В соответствии с электродинамике Максвелла, любой поворачивающийся заряд обязан излучать электромагнитные волны, а этого атом в невозбужденном состоянии все же не делает. Такое излучение должно приводить к потере энергии и, следовательно, дезинтеграцию атома, чего также не происходит.

В эти дебри Резерфорд лезть не захотел, поскольку его догадка и без того уже опрокинула общепринятые представления о структуре атома.

Объединив уравнения ньютоновской механики с законом Кулона, Резерфорд вычислил, с какой возможностью движущаяся в поле точечного покоящегося заряда заряженная частица отклоняется на определенный угол от начального направления. Это и была известная формула Резерфорда, в первый раз размещённая в данной же статье. Правильный ее вид приводить не обязательно, достаточно заявить, что искомая возможность обратно пропорциональна четвертой степени синуса половины угла рассеяния.

Эти Гейгера и Марсдена замечательно укладывались в эту математическую зависимость. Ни одна из соперничающих моделей атома не смогла предложить столь же сильного доказательства собственной справедливости.

Парадокс

А вот и настал черед самого главного, момента истины. Дело в том, что рассеяние микрочастиц на вторых частицах либо ядрах атома — чисто квантовый процесс. Для его описания нужно уравнение Шредингера, которого в 1911 году еще не было.

В частности, сечение для того чтобы рассеяния зависит от спинов сталкивающихся частиц, а в хорошей физике для того чтобы понятия не существует. Так отчего же формула Резерфорда так прекрасно согласовалась с опытом?

Выясняется, ответ уравнения Шредингера ведет к той же формуле, что и уравнение Ньютона, в случае если рассеяние является следствием силы, величина которой обратно пропорциональна квадрату расстояния! При любом втором потенциале хорошая и квантовая механика дают разные результаты. Поэтому-то справедливость формулы Резерфорда для рассеяния альфа-частиц на железной фольге была только весьма счастливой случайностью.

А что если бы природа распорядилась в противном случае и результаты измерений Гейгера и Марсдена не уложились в резерфордовскую формулу, хоть с позиций тогдашних физических представлений она и была безукоризненной? В этом случае Резерфорд имел возможность бы и не предложить собственной модели, которая и без того открыто выбивалась из электродинамики Максвелла. А тогда не было бы и трех очень способных статей Бора 1913 года с квантовой теорией одноэлектронного атома.

Само собой разумеется, в итоге эти неприятности были бы разрешены, но кем, в то время, когда и как, остается только предпологать. Другими словами, резерфордовская фортуна очень сильно поторопила появление на свет квантовой механики. Везет же время от времени гениям!

Ядерные модели

Мысль Резерфорда появилась не на безлюдном месте. В те времена уже существовали соперничающие физические модели, обрисовывавшие строение атома, и Резерфорд, вероятнее, полагал, что задуманные им опыты послужат их экспериментальной проверкой. Но итог был очень неожиданным. Все модели, о которых идет обращение, имели всего пара лет отроду — и не просто так.

в течении XIX века атомами занимались по большей части химики. Им не было особенного дела до тонкостей ядерной структуры, потому, что достаточно было знать, как ведут себя молекулы и атомы в разных химических реакциях. Что же до физики, то она еще не обладала экспериментальными сведениями о субатомных частицах.

Все изменилось по окончании открытия электрона. Физики взяли неоспоримый компонент атома, и от данной печки возможно было начать танцевать. Первым это проделал сам Дж.

Дж. Томсон. Во второй половине 90-ых годов XIX века он смоделировал атом в виде нафаршированного электронами шарика из положительно заряженной материи, что назвали «сливовым пудингом». Предполагалось, что в невозбужденном состоянии атома электроны покоятся, а в возбужденном совершают гармонические колебания, вызывающие излучение электромагнитных волн. «Пудинговая» модель растолковывала кое-какие умелые факты, но изначально была мертворожденной.

Погубил ее британский математик Сэмюел Ирншоу, в первой половине 40-ых годов XIX века доказавший, что совокупность покоящихся постоянных магнитов не имеет возможности пребывать в статическом равновесии. Потому, что это утверждение легко распространяется и на заряды, из него вытекает, что атом Томсона по большей части состоянии существовать не имеет возможности. Дабы преодолеть это затруднение, Томсон в 1904 году высказал предположение, что электроны вращаются в атома.

Действительно, неясно, из-за чего хорошая материя «пудинга» не тормозит это вращение, и это отнюдь не единственное возражение. Однако модель Томсона господствовала в течение нескольких лет — и из-за авторитета ученого, и из-за отсутствия важных соперников. Но соперники все же были.

В 1903 году германский физик Филипп фон Ленард высказал предположение, что атом складывается из так называемых динамид, попарно связанных хороших и отрицательных зарядов равной массы, поделённых безлюдным пространством. Через год японец Хантаро Нагаока заметил в атоме подобие Сатурна: кольца из тысяч электронов, вращающиеся около центрального ядра (ранее что-то подобное внес предложение британский физик Оливер Лодж). Модели Ленарда и Нагаоки были очень умозрительными, но Резерфорд их знал и без шуток обдумывал.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№40, февраль 2006).

Общественное движение в 80 — 90-х гг. XIX в. Либералы


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: