У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро

Эрнест Резерфорд, 1908 год.

Британский физик Джозеф Джон Томсон, руководитель Резерфорда в Кавеидишской лаборатории, первооткрыватель электрона, поставивший эксперимент с потоком частим (электронов) катодных лучей.

Немецкий физик Ханс Вильгельм Гейгер (слева) и Эрнест Резерфорд.

Датский физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962) родился в Копенгагене. Его отец был врачом и дважды становился претендентом на Нобелевскую премию, мать происходила из состоятельной семьи. Бор изучал физику в Копенгагенском университете.

ГЛАВА 2

Альфа, бета и гамма

Вместе с Беккерелем и Марией Кюри Резерфорд разделяет славу открывателей природы радиоактивности. Ученый пришел к выводу, что это явление состоит из комплекса излучений, различающихся по электрическому заряду и способности проникновения в материю: заряд альфа-частицы положительный, а проникающая способность слабая; бета-частицы обладают гораздо большей проникающей способностью и отрицательным зарядом. Резерфорд также внес значительный вклад в обнаружение гамма-излучения.

Когда в 1895 году Резерфорд прибыл в Соединенное Королевство с далеких островов, он еще не знал о радиоактивности. Но спустя несколько лет стал одним из самых значительных исследователей в этой сфере.

Несмотря на то что в его распоряжении была стипендия имени Всемирной выставки 1851 года, проезд на корабле Резерфорду пришлось оплатить самостоятельно. Путешествие длилось два месяца, тогда же он начал писать письма своей невесте Мэри Ньютон. Переписка продолжалась в течение нескольких лет разлуки и теперь это ценный источник информации обо всех превратностях судьбы, с которыми молодой ученый столкнулся в этот поворотный для него период.

Резерфорд избрал работу в команде Джозефа Джона Томсона, директора Кавендишской лаборатории. Фортуна снова улыбнулась Резерфорду, так как в том же году было отменено постановление, запрещавшее поступать в аспирантуру Кембриджа тем, кто в нем не обучался. Так Резерфорд стал первым чужеземным аспирантом Кембриджа. И это было сопряжено с дополнительными сложностями в ходе его адаптации, поскольку другие студенты и преподаватели не признавали его своим.

Вначале Эрнест продолжал свою работу над приемником электромагнитных сигналов, основываясь на имевшемся у него опыте, который так впечатлил преподавателей и студентов в Новой Зеландии. Резерфорд полностью сконструировал аппарат, включая батарейки. Его руководитель Дж. Дж. Томсон, а также другие исследователи университета, с интересом ждали результатов от нового студента. В автобиографии Дж. Дж. Томсон так описывал первые шаги Резерфорда в университете:

"Едва приступив к работе, он установил рекорд по расстоянию телеграфирования и успешно отправил несколько сообщений из лаборатории в жилые дома примерно в километре от университета".

Несмотря на то что изобретение было многообещающим и могло служить практическим целям (что сулило также неплохой доход), эти исследования отошли на второй план, как только Резерфорд начал изучать рентгеновские лучи.

Первые опыты итальянского физика Гульельмо Маркони (1874-1937) по передаче беспроводных телеграфных сигналов датируются 1884 годом, но в Италии изобретение было принято без воодушевления. Тогда он отправился в Соединенное Королевство и в 1896 году получил первые патенты. Маркони сотрудничал с инженером почтовой компании и скоро смог открыть собственное предприятие. В 1901 году ему удалось передать радиосигнал на другой берег Атлантики, а в 1909 году он получил Нобелевскую премию за вклад в науку, который представляло собой его изобретение. Резерфорд в Новой Зеландии, а Маркони в Италии почти одновременно разрабатывали аппараты для передачи радиосигналов, получивших название беспроволочного телеграфа. Резерфорд создавал свой приемник сигналов параллельно с Маркони (по-прежнему неясно, кто из них настоящий отец изобретения). При проведении своих опытов Резерфорд заинтересовал исследователей в университете, многие увидели в его изобретении перспективы для стратегического применения, например для сообщения между судном и сушей. В 1896 году Резерфорд представил изобретение в Королевском обществе и объяснил принцип работы своего приемника радиоволн. Многочисленные возможности применения позволили ему мечтать о доходе, столь необходимом для женитьбы. Однако несмотря на появившиеся перед ним возможности (которыми Маркони в отличие от него воспользовался) интерес, который у Резерфорда вызвало открытие рентгеновских лучей, оттеснил финансовые заботы на второй план.

Гульельмо Маркони, около 1937 года.

Резерфорд считал, что квантовая революция началась в 1896 году, когда Анри Беккерель открыл радиоактивность. Это открытие было сделано совершенно неожиданно, так как физика XIX века не предполагала, что внутри материи может заключаться такое количество энергии. Однако чтобы понять контекст событий, нужно перенестись на год назад, когда Вильгельм Конрад Рентген обнаружил икс-лучи.

Рентген был профессором Вюрцбургского университета (Германия) и изучал проникающую способность катодных лучей, точнее, хотел выяснить, могут ли они пронизывать алюминий. В ходе опыта он выключил лучи и поместил черный картон, закрывая трубку, чтобы лучи не исчезли. После подключения трубки катодных лучей он случайно заметил, что экран, находившийся вдалеке от флуоресцентного материала, начал блестеть. Вспышки прекращались при отключении тока от трубки. Очевидно, что из трубки испускались лучи отличной от катодных природы, так как катодные лучи картон должен был поглощать.

Рентгеновские лучи — вид электромагнитного излучения, характеризующегося высокой частотой (то есть высокой энергией). Они возникают в результате сильного ускорения или замедления электрически заряженных частиц. Хотя лучи невидимы, к их излучению чувствительны фотографические пластинки, так что прохождение лучей оставляет след. Так их впервые удалось увидеть Рентгену: лучи формируются в трубке Крукса, где электроны ускоряются под воздействием высокочастотного тока, затем лучи оставляют след на фотопластинке. Сегодня рентгеновские лучи получают в специальных ускорителях частиц, таких как синхротрон, где ускоренные частицы испускают свет синхротрона, включающий в себя ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и тому подобное.

Самый характерный вид применения рентгеновских лучей — в качестве диагностического инструмента для визуализации внутренней структуры организма, в первую очередь костной. Сегодня с помощью компьютерной томографии, в которой также используются рентгеновские лучи, кроме более плотных тканей можно наблюдать органы и другие структуры. Так как данный вид излучения относится к ионизирующим, в борьбе с раковыми заболеваниями используется и его свойство уничтожать живые клетки. При этом бесконтрольное получение высокой дозы излучения вредно для организма в целом. В пищевой промышленности рентгеновские лучи используются для продления срока хранения продуктов: облучение задерживает распространение бактерий. Так как рентгеновские лучи обладают маленькой длиной волны, того же порядка, что и размер атома, их используют для изучения кристаллов. Так, техника дифракции рентгеновских лучей позволила Розалинд Франклин (1920-1958) сфотографировать ДНК, что в 1953 году привело Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика к открытию структуры двойной спирали ДНК.