Kurze Biographie von Ernest Rutherford. „Vater“ der Kernphysik Rutherfords Biografie kurz

ERNEST RUTHERFORD

Ernest Rutherford wurde am 30. August 1871 in der Nähe der Stadt Nelson (Neuseeland) in der Familie eines Einwanderers aus Schottland geboren. Ernest war das vierte von zwölf Kindern. Seine Mutter arbeitete als Landlehrerin. Der Vater des zukünftigen Wissenschaftlers gründete einen Holzverarbeitungsbetrieb. Unter der Anleitung seines Vaters erhielt der Junge eine gute Ausbildung für die Arbeit in der Werkstatt, die ihm später beim Entwurf und Bau wissenschaftlicher Geräte half.

Nach seinem Schulabschluss in Havelock, wo die Familie zu dieser Zeit lebte, erhielt er ein Stipendium, um seine Ausbildung am Nelson Provincial College fortzusetzen, wo er 1887 eintrat. Zwei Jahre später bestand Ernest die Prüfung am Canterbury College, einer Zweigstelle der University of New Zealand in Christchester. Im College wurde Rutherford stark von seinen Lehrern beeinflusst: dem Physik- und Chemielehrer E. W. Bickerton und dem Mathematiker J. H. H. Cook. Nachdem Rutherford 1892 einen Bachelor of Arts erhielt, blieb er am Canterbury College und setzte sein Studium dank eines Stipendiums in Mathematik fort. Im folgenden Jahr erlangte er den Master of Arts, wobei er die Prüfungen in Mathematik und Physik am besten bestand. Seine Masterarbeit befasste sich mit der Detektion hochfrequenter Radiowellen, deren Existenz vor etwa zehn Jahren nachgewiesen wurde. Um dieses Phänomen zu untersuchen, konstruierte er (einige Jahre vor Marconi) einen drahtlosen Funkempfänger und empfing mit seiner Hilfe Signale, die von Kollegen aus einer Entfernung von einer halben Meile gesendet wurden.

Im Jahr 1894 erschien sein erstes gedrucktes Werk „Magnetization of Iron by High-Frequency Discharges“ in den News of the Philosophical Institute of New Zealand. Im Jahr 1895 wurde ein Stipendium für wissenschaftliche Ausbildung vakant; der erste Kandidat für dieses Stipendium lehnte aus familiären Gründen ab; der zweite Kandidat war Rutherford. Als Rutherford in England ankam, erhielt er eine Einladung von J. J. Thomson, in Cambridge im Cavendish-Labor zu arbeiten. So begann Rutherfords wissenschaftliche Reise.

Thomson war von Rutherfords Forschungen zu Radiowellen tief beeindruckt und schlug 1896 vor, gemeinsam die Wirkung von Röntgenstrahlen auf elektrische Entladungen in Gasen zu untersuchen. Im selben Jahr erschien die gemeinsame Arbeit von Thomson und Rutherford „Über den Durchgang von Elektrizität durch Gase, die Röntgenstrahlen ausgesetzt waren“. Im folgenden Jahr wurde Rutherfords letzter Artikel „Magnetischer Detektor elektrischer Wellen und einige seiner Anwendungen“ veröffentlicht. Danach konzentriert er seine Bemühungen ganz auf die Untersuchung der Gasentladung. 1897 erschien sein neues Werk „Über die Elektrifizierung von Gasen, die Röntgenstrahlen ausgesetzt sind, und über die Absorption von Röntgenstrahlen durch Gase und Dämpfe“.

Ihre Zusammenarbeit führte zu bedeutenden Ergebnissen, darunter Thomsons Entdeckung des Elektrons, eines Atomteilchens, das eine negative elektrische Ladung trägt. Basierend auf ihrer Forschung stellten Thomson und Rutherford die Hypothese auf, dass Röntgenstrahlen, wenn sie ein Gas durchdringen, die Atome dieses Gases zerstören und die gleiche Anzahl positiv und negativ geladener Teilchen freisetzen. Sie nannten diese Teilchen Ionen. Nach dieser Arbeit begann Rutherford mit der Erforschung der Atomstruktur.

Im Jahr 1898 nahm Rutherford eine Professur an der McGill University in Montreal an, wo er eine Reihe wichtiger Experimente zur radioaktiven Emission des Elements Uran begann. Während Rutherford seine sehr arbeitsintensiven Experimente durchführte, wurde er oft von einer niedergeschlagenen Stimmung überwältigt. Denn trotz aller Bemühungen erhielt er nicht genügend Geld, um die nötigen Instrumente zu bauen. Rutherford baute einen Großteil der für die Experimente notwendigen Ausrüstung mit eigenen Händen. Er arbeitete ziemlich lange in Montreal – sieben Jahre. Eine Ausnahme bildete das Jahr 1900, als Rutherford während einer kurzen Reise nach Neuseeland Mary Newton heiratete. Später bekamen sie eine Tochter.

In Kanada machte er grundlegende Entdeckungen: Er entdeckte die Emanation von Thorium und entschlüsselte die Natur der sogenannten induzierten Radioaktivität; Zusammen mit Soddy entdeckte er den radioaktiven Zerfall und sein Gesetz. Hier schrieb er das Buch „Radioaktivität“.

In ihrem klassischen Werk befassten sich Rutherford und Soddy mit der grundlegenden Frage nach der Energie radioaktiver Umwandlungen. Sie berechneten die Energie der von Radium emittierten Alphateilchen und kamen zu dem Schluss, dass „die Energie radioaktiver Umwandlungen mindestens 20.000-mal und vielleicht eine Million Mal größer ist als die Energie jeder molekularen Umwandlung“. Rutherford und Soddy kamen zu dem Schluss, dass „die Energie“ „, das in einem Atom verborgen ist, ist ein Vielfaches an Energie, die bei einer gewöhnlichen chemischen Umwandlung freigesetzt wird.“ Diese enorme Energie sollte ihrer Meinung nach „bei der Erklärung der Phänomene der kosmischen Physik“ berücksichtigt werden. Insbesondere lässt sich die Konstanz der Sonnenenergie dadurch erklären, dass „auf der Sonne subatomare Transformationsprozesse stattfinden“.

Man kann nicht umhin, über die Weitsicht der Autoren zu staunen, die bereits 1903 die kosmische Rolle der Kernenergie erkannten. Dieses Jahr war das Jahr der Entdeckung dieser neuen Energieform, über die Rutherford und Soddy mit großer Bestimmtheit sprachen und sie intraatomare Energie nannten.

Der Umfang von Rutherfords wissenschaftlicher Arbeit in Montreal war enorm; er veröffentlichte 66 Artikel, sowohl persönlich als auch gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern, nicht eingerechnet das Buch „Radioaktivität“, das Rutherford den Ruhm eines erstklassigen Forschers einbrachte. Er erhält eine Einladung, einen Lehrstuhl in Manchester zu übernehmen. Am 24. Mai 1907 kehrte Rutherford nach Europa zurück. Ein neuer Abschnitt seines Lebens begann.

In Manchester startete Rutherford eine lebhafte Aktivität, die junge Wissenschaftler aus der ganzen Welt anzog. Einer seiner aktiven Mitarbeiter war der deutsche Physiker Hans Geiger, Erfinder des ersten Elementarteilchenzählers (Geigerzähler). In Manchester arbeiteten E. Marsden, K. Fajans, G. Moseley, G. Hevesy und andere Physiker und Chemiker mit Rutherford.

Niels Bohr, der 1912 in Manchester ankam, erinnerte sich später an diese Zeit: „Zu dieser Zeit gruppierte sich eine große Anzahl junger Physiker aus der ganzen Welt um Rutherford, angezogen von seinem außergewöhnlichen Talent als Physiker und seinen seltenen Fähigkeiten als Organisator.“ eines wissenschaftlichen Teams.“

Im Jahr 1908 erhielt Rutherford den Nobelpreis für Chemie „für seine Forschungen zum Zerfall von Elementen in der Chemie radioaktiver Substanzen“. In seiner Eröffnungsrede im Namen der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften wies C. B. Hasselberg auf den Zusammenhang zwischen der Arbeit von Rutherford und der Arbeit von Thomson, Henri Becquerel, Pierre und Marie Curie hin. „Die Entdeckungen führten zu einer erstaunlichen Schlussfolgerung: Ein chemisches Element … ist in der Lage, sich in andere Elemente umzuwandeln“, sagte Hasselberg. In seiner Nobelvorlesung bemerkte Rutherford: „Es gibt allen Grund zu der Annahme, dass die Alphateilchen, die von den meisten radioaktiven Substanzen so frei ausgestoßen werden, in Masse und Zusammensetzung identisch sind und aus den Kernen von Heliumatomen bestehen müssen.“ Wir kommen daher nicht umhin, zu dem Schluss zu kommen, dass die Atome der grundlegenden radioaktiven Elemente wie Uran und Thorium zumindest teilweise aus Heliumatomen aufgebaut sein müssen.“

Nach Erhalt des Nobelpreises begann Rutherford mit der Untersuchung eines Phänomens, das beobachtet wurde, als eine Platte aus dünner Goldfolie mit Alphateilchen bombardiert wurde, die von einem radioaktiven Element wie Uran emittiert wurden. Es stellte sich heraus, dass es anhand des Reflexionswinkels von Alphateilchen möglich ist, die Struktur der stabilen Elemente zu untersuchen, aus denen die Platte besteht. Nach den damals akzeptierten Vorstellungen glich das Atommodell einem Rosinenpudding: Positive und negative Ladungen waren gleichmäßig im Atom verteilt und konnten daher die Bewegungsrichtung von Alphateilchen nicht wesentlich ändern. Rutherford bemerkte jedoch, dass bestimmte Alphateilchen viel stärker von der erwarteten Richtung abwichen, als die Theorie zuließ. In Zusammenarbeit mit Ernest Marsden, einem Studenten der Universität Manchester, bestätigte der Wissenschaftler, dass eine ganze Reihe von Alphateilchen weiter als erwartet abgelenkt wurden, einige in Winkeln von mehr als 90 Grad.

Nachdenken über dieses Phänomen. Rutherford schlug 1911 ein neues Atommodell vor. Nach seiner heute allgemein anerkannten Theorie sind positiv geladene Teilchen im schweren Zentrum des Atoms konzentriert, negativ geladene (Elektronen) befinden sich in der Umlaufbahn des Kerns, in ziemlich großer Entfernung davon. Dieses Modell geht, ähnlich wie ein winziges Modell des Sonnensystems, davon aus, dass Atome größtenteils aus leerem Raum bestehen.

Die breite Akzeptanz von Rutherfords Theorie begann, als der dänische Physiker Niels Bohr sich der Arbeit des Wissenschaftlers an der Universität Manchester anschloss. Bohr zeigte, dass mit der von Rutherford vorgeschlagenen Struktur die bekannten physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffatoms sowie der Atome mehrerer schwererer Elemente erklärt werden könnten.

Die fruchtbare Arbeit der Rutherford-Gruppe in Manchester wurde durch den Ersten Weltkrieg unterbrochen. Der Krieg zerstreute das befreundete Team über verschiedene Länder, die miteinander Krieg führten. Moseley, der sich gerade mit einer bedeutenden Entdeckung in der Röntgenspektroskopie einen Namen gemacht hatte, wurde getötet und Chadwick schmachtete in deutscher Gefangenschaft. Die britische Regierung ernannte Rutherford zum Mitglied des „Admiral's Invention and Research Staff“, einer Organisation, die gegründet wurde, um Mittel zur Bekämpfung feindlicher U-Boote zu finden. Rutherfords Labor begann daher mit der Erforschung der Schallausbreitung unter Wasser, um eine theoretische Grundlage für die Ortung von U-Booten zu schaffen. Erst nach Kriegsende konnte der Wissenschaftler seine Forschungen wieder aufnehmen, allerdings an einem anderen Ort.

Nach dem Krieg kehrte er in das Labor von Manchester zurück und machte 1919 eine weitere grundlegende Entdeckung. Rutherford gelang es, die erste Reaktion der Umwandlung von Atomen künstlich durchzuführen. Beschuss von Stickstoffatomen mit Alphateilchen. Rutherford entdeckte, dass dabei Sauerstoffatome entstehen. Diese neue Beobachtung lieferte einen weiteren Beweis für die Transformationsfähigkeit von Atomen. In diesem Fall wird in diesem Fall ein Proton aus dem Kern des Stickstoffatoms freigesetzt – ein Teilchen, das eine einzelne positive Ladung trägt. Durch Rutherfords Forschungen nahm das Interesse der Atomphysiker an der Natur des Atomkerns stark zu.

1919 wechselte Rutherford an die Universität Cambridge und trat die Nachfolge von Thomson als Professor für Experimentalphysik und Direktor des Cavendish Laboratory an. 1921 übernahm er die Stelle eines Professors für Naturwissenschaften an der Royal Institution in London. 1925 wurde dem Wissenschaftler der britische Verdienstorden verliehen. 1930 wurde Rutherford zum Vorsitzenden des Regierungsbeirats des Office of Scientific and Industrial Research ernannt. 1931 erhielt er den Titel Lord und wurde Mitglied des House of Lords des englischen Parlaments.

Rutherford wollte sicherstellen, dass er durch einen wissenschaftlichen Ansatz bei der Umsetzung aller ihm anvertrauten Aufgaben dazu beitragen würde, den Ruhm seines Heimatlandes zu steigern. Er argumentierte ständig und mit großem Erfolg in maßgeblichen Gremien für die Notwendigkeit einer vollständigen staatlichen Unterstützung der Wissenschafts- und Forschungsarbeit.

Auf dem Höhepunkt seiner Karriere zog der Wissenschaftler viele talentierte junge Physiker für die Arbeit in seinem Labor in Cambridge an, darunter P. M. Blackett, John Cockcroft, James Chadwick und Ernest Walton. Auch der sowjetische Wissenschaftler Kapitsa besuchte dieses Labor.

In einem seiner Briefe nennt Kapitsa Rutherford Crocodile. Tatsache ist, dass Rutherford eine laute Stimme hatte und nicht wusste, wie er sie kontrollieren sollte. Die kraftvolle Stimme des Meisters, der jemandem im Korridor begegnete, warnte die Anwesenden in den Labors vor seinem Vorgehen, und die Mitarbeiter hatten Zeit, „ihre Gedanken zu sammeln“. In „Memoirs of Professor Rutherford“ schrieb Kapitsa: „Er sah ziemlich kräftig aus, war überdurchschnittlich groß, seine Augen waren blau, immer sehr fröhlich, sein Gesicht war sehr ausdrucksstark.“ Er war aktiv, seine Stimme war laut, er wusste nicht, wie man sie gut moduliert, jeder wusste davon, und an seinem Tonfall konnte man erkennen, ob der Professor im Geiste war oder nicht. In seiner gesamten Art, mit Menschen zu kommunizieren, waren seine Aufrichtigkeit und Spontaneität vom ersten Wort an spürbar. Seine Antworten waren stets kurz, klar und präzise. Wenn ihm jemand etwas sagte, reagierte er sofort, egal was es war. Man konnte jedes Problem mit ihm besprechen – er begann sofort, bereitwillig darüber zu sprechen.“

Obwohl Rutherford selbst weniger Zeit für aktive Forschung hatte, trugen sein großes Interesse an der Forschung und seine klare Führung dazu bei, das hohe Arbeitsniveau in seinem Labor aufrechtzuerhalten.

Rutherford hatte die Fähigkeit, die wichtigsten Probleme seiner Wissenschaft zu identifizieren, indem er die noch unbekannten Zusammenhänge in der Natur zum Gegenstand der Forschung machte. Neben der ihm als Theoretiker innewohnenden Gabe der Weitsicht hatte Rutherford auch eine praktische Ader. Ihr war es zu verdanken, dass er die beobachteten Phänomene immer präzise erklärte, egal wie ungewöhnlich sie auf den ersten Blick erscheinen mochten.

Studenten und Kollegen erinnerten sich an den Wissenschaftler als einen süßen, freundlichen Menschen. Sie bewunderten seine außergewöhnliche kreative Denkweise und erinnerten sich daran, wie er vor Beginn jeder neuen Studie freudig sagte: „Ich hoffe, das ist ein wichtiges Thema, denn es gibt immer noch so viele Dinge, die wir nicht wissen.“

Rutherford war besorgt über die Politik der Nazi-Regierung unter Adolf Hitler und wurde 1933 Präsident des Academic Relief Council, der gegründet wurde, um Menschen zu helfen, die aus Deutschland flohen.

Er erfreute sich fast bis zu seinem Lebensende einer guten Gesundheit und starb am 19. Oktober 1937 nach kurzer Krankheit in Cambridge. In Anerkennung seiner herausragenden Verdienste um die Entwicklung der Wissenschaft wurde der Wissenschaftler in der Westminster Abbey beigesetzt.

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ERNEST RUTHERFORD (1871-1937)Wie V.I. schreibt. Grigoriev: „Die Werke von Ernest Rutherford, der oft zu Recht als einer der Titanen der Physik unseres Jahrhunderts bezeichnet wird, die Arbeit mehrerer Generationen seiner Schüler hatten nicht nur großen Einfluss auf die Wissenschaft und Technologie unseres Jahrhunderts, sondern auch auf

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Die erste Seite von E. Rutherfords Artikel im Philosophical Magazine, 6, 21 (1911), in dem das Konzept des „Atomkerns“ erstmals vorgestellt wurde.

Der vor 100 Jahren von E. Rutherford entdeckte Atomkern ist ein gebundenes System wechselwirkender Protonen und Neutronen. Jeder Atomkern ist auf seine Weise einzigartig. Zur Beschreibung von Atomkernen wurden verschiedene Modelle entwickelt, die einzelne spezifische Merkmale von Atomkernen beschreiben. Die Untersuchung der Eigenschaften von Atomkernen eröffnete eine neue Welt – die subatomare Quantenwelt – und führte zur Aufstellung neuer Erhaltungs- und Symmetriegesetze. Die in der Kernphysik gewonnenen Erkenntnisse finden in den Naturwissenschaften breite Anwendung, von der Erforschung lebender Systeme bis hin zur Astrophysik.

1. 1911 Rutherford entdeckt den Atomkern.

In der Juniausgabe 1911 des Philosophical Magazine wurde E. Rutherfords Werk „Scattering of α- and β-particles by matter and the structure of the atom“ veröffentlicht, in dem das Konzept von "Atomkern".
E. Rutherford analysierte die Ergebnisse der Arbeit von G. Geiger und E. Marsden zur Streuung von α-Teilchen an dünner Goldfolie, bei der unerwartet entdeckt wurde, dass eine kleine Anzahl von α-Teilchen um einen Winkel größer als abgelenkt wird 90°. Dieses Ergebnis widersprach dem damals vorherrschenden Atommodell von J. J. Thomson, wonach das Atom aus negativ geladenen Elektronen und einer gleichen Menge positiver Elektrizität bestand, die gleichmäßig innerhalb einer Kugel mit dem Radius R ≈ 10 - 8 cm verteilt war. Zur Erklärung der erhaltenen Ergebnisse von Geiger und Marsden entwickelte Rutherford ein Modell für die Streuung einer elektrischen Punktladung durch eine andere Punktladung auf der Grundlage des Coulombschen Gesetzes und der Newtonschen Bewegungsgesetze und ermittelte die Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit der Streuung von α-Teilchen unter einem Winkel θ von der Energie E des einfallenden α-Teilchens

Die von Geiger und Marsden gemessene Winkelverteilung der α-Teilchen könnte nur erklärt werden, wenn wir annehmen, dass das Atom eine zentrale Ladung hat, die über einen Bereich dieser Größe verteilt ist<10 -12 см. Результирующий заряд ядра приблизительно равен Ae/2, где A - вес атома в атомных единицах массы, e - фундаментальная единица заряда. Точность определения величины заряда ядра золота составила ≈ 20%. Так возникла планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален - положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда ядра Z.

Im Jahr 1910 kam ein junger Wissenschaftler namens Marsden zur Arbeit in Rutherfords Labor. Er bat Rutherford, ihm ein sehr einfaches Problem zu stellen. Rutherford wies ihn an, die durch Materie hindurchgehenden Alphateilchen zu zählen und deren Streuung zu ermitteln. Gleichzeitig stellte Rutherford fest, dass Marsden seiner Meinung nach nichts Auffälliges finden würde. Rutherford stützte seine Überlegungen auf das damals akzeptierte Thomson-Modell des Atoms. Nach diesem Modell wurde das Atom durch eine Kugel mit der Größe 10 dargestellt -8 cm mit gleichmäßig verteilter positiver Ladung, in die Elektronen eingestreut waren. Die harmonischen Schwingungen des Letzteren bestimmten die Emissionsspektren. Es lässt sich leicht zeigen, dass Alphateilchen eine solche Kugel problemlos passieren sollten, eine besondere Streuung war jedoch nicht zu erwarten. Die Alphateilchen verbrauchten auf ihrem Weg die gesamte Energie, um Elektronen auszustoßen, die die umgebenden Atome ionisierten.
Unter der Leitung von Geiger begann Marsden mit seinen Beobachtungen und bemerkte bald, dass die meisten Alphateilchen durch Materie hindurchgehen, es aber immer noch eine spürbare Streuung gibt und einige Teilchen scheinbar zurückprallen. Als Rutherford davon erfuhr, sagte er:
Es ist unmöglich. Dies ist ebenso unmöglich, wie es für eine Kugel unmöglich ist, vom Papier abzuprallen.
Dieser Satz zeigt, wie konkret und im übertragenen Sinne er das Phänomen sah.
Marsden und Geiger veröffentlichten ihre Arbeit und Rutherford entschied sofort, dass die bestehende Vorstellung vom Atom falsch sei und radikal überarbeitet werden müsse.
Durch das Studium des Verteilungsgesetzes reflektierter α-Teilchen versuchte Rutherford herauszufinden, welche Feldverteilung innerhalb des Atoms notwendig war, um das Dispersionsgesetz zu bestimmen, unter dem α-Teilchen überhaupt zurückkehren könnten. Er kam zu dem Schluss, dass dies möglich ist, wenn die gesamte Ladung nicht im gesamten Volumen des Atoms, sondern im Zentrum konzentriert ist. Die Größe dieses Zentrums, das er Kern nannte, ist sehr klein: 10
-12 —10 -13 cm im Durchmesser. Aber wo sollen wir dann die Elektronen platzieren? Rutherford entschied, dass die negativ geladenen Elektronen kreisförmig verteilt sein sollten – sie könnten durch Rotation gehalten werden, deren Zentrifugalkraft die Anziehungskraft der positiven Ladung des Kerns ausgleicht. Folglich ist das Modell des Atoms nichts anderes als ein bestimmtes Sonnensystem, bestehend aus einem Kern – der Sonne und Elektronen – den Planeten. Also schuf er sein Atommodell.
Dieses Modell stieß auf völlige Verwirrung, da es einigen der damals scheinbar unerschütterlichen Grundlagen der Physik widersprach.

P.L. Kapitsa. „Erinnerungen an Professor E. Rutherford“

1909-1911 Experimente von G. Geiger und E. Marsden

G. Geiger und E. Marsden sahen, dass beim Durchgang durch eine dünne Goldfolie die meisten α-Teilchen erwartungsgemäß ohne Ablenkung durchflogen, unerwarteterweise wurde jedoch festgestellt, dass einige α-Teilchen in sehr großen Winkeln abgelenkt wurden. Einige Alphateilchen wurden sogar in die entgegengesetzte Richtung gestreut. Berechnungen der elektrischen Feldstärke von Atomen im Thomson- und Rutherford-Modell zeigen einen signifikanten Unterschied zwischen diesen Modellen. Die Feldstärke einer über die Oberfläche eines Atoms verteilten positiven Ladung beträgt im Fall des Thomson-Modells ~10 13 V/m. Im Rutherford-Modell ist die positive Ladung im Zentrum des Atoms im Bereich R< 10 -12 см создаёт напряженности поля на 8 порядков больше. Только такое сильное электрического поле массивного заряженного тела может отклонить α-частицы на большие углы, в то время как в слабом электрическом поле модели Томсона это было невозможно.

E. Rutherford, 1911 "Es ist gut bekannt, dassα - Undβ -Teilchen erfahren beim Zusammenstoß mit Atomen einer Substanz eine Abweichung von der geraden Bahn. Diese Streuung macht sich viel deutlicher bemerkbarβ -Teilchen alsα -Teilchen, weil sie haben deutlich geringere Impulse und Energien. Es besteht daher kein Zweifel daran, dass solche sich schnell bewegenden Teilchen die Atome, auf die sie stoßen, durchdringen und dass die beobachteten Abweichungen auf das starke elektrische Feld zurückzuführen sind, das innerhalb des Atomsystems wirkt. Üblicherweise wurde von Strahlstreuung ausgegangenα - oderβ -Strahlen, die eine dünne Materieplatte durchdringen, sind das Ergebnis zahlreicher kleiner Streuungen beim Durchgang von Atomen der Substanz. Beobachtungen von Geiger und Marsden zeigten jedoch, dass eine gewisse Menge vorhanden istα -Teilchen erfahren bei einem einzigen Zusammenstoß eine Ablenkung von mehr als 90°. Eine einfache Rechnung zeigt, dass im Atom ein starkes elektrisches Feld vorhanden sein muss, damit bei einem einzigen Stoß eine so große Ablenkung entsteht.“

1911 E. Rutherford. Atomkern

α + 197 Au → α + 197 Au


Ernest Rutherford
(1891-1937)

Basierend auf dem Planetenmodell des Atoms leitete Rutherford eine Formel ab, die die Streuung von α-Teilchen an einer dünnen Goldfolie beschreibt und mit den Ergebnissen von Geiger und Marsden übereinstimmt. Rutherford ging davon aus, dass α-Teilchen und die Atomkerne, mit denen sie interagieren, als Punktmassen und Ladungen betrachtet werden können und dass zwischen positiv geladenen Kernen und α-Teilchen nur elektrostatische Abstoßungskräfte wirken und dass der Kern im Vergleich zum α-Teilchen so schwer ist, dass er dies tut sich während der Interaktion nicht bewegen. Elektronen rotieren auf einer charakteristischen Atomskala von ~10-8 cm um den Atomkern und haben aufgrund ihrer geringen Masse keinen Einfluss auf die Streuung von α-Teilchen.

Zunächst ermittelte Rutherford die Abhängigkeit des Streuwinkels θ eines α-Teilchens mit der Energie E vom Stoßparameter b einer Kollision mit einem punktförmigen massiven Kern. b – Aufprallparameter – der minimale Abstand, in dem sich das α-Teilchen dem Kern nähern würde, wenn zwischen ihnen keine Abstoßungskräfte wären, θ – Streuwinkel des α-Teilchens, Z 1 e – elektrische Ladung des α-Teilchens, Z 2 e - elektrische Ladungskerne.
Rutherford berechnete dann, welcher Anteil eines Strahls aus α-Teilchen mit der Energie E um einen Winkel θ gestreut wird, abhängig von der Ladung des Kerns Z 2 e und der Ladung des α-Teilchens Z 1 e. So wurde auf der Grundlage der klassischen Gesetze von Newton und Coulomb die berühmte Rutherford-Streuungsformel erhalten. Bei der Ableitung der Formel ging es vor allem um die Annahme, dass das Atom ein massives positiv geladenes Zentrum enthält, dessen Abmessungen R sind< 10 -12 см.

E. Rutherford, 1911: „Die einfachste Annahme ist, dass das Atom eine über ein sehr kleines Volumen verteilte Zentralladung hat und dass große einzelne Abweichungen auf die Zentralladung als Ganzes und nicht auf ihre Bestandteile zurückzuführen sind. Gleichzeitig sind die experimentellen Daten nicht genau genug, um die Möglichkeit der Existenz eines kleinen Teils der positiven Ladung in Form von Satelliten zu leugnen, die sich in einiger Entfernung vom Zentrum befinden... Es ist zu beachten, dass die gefundenen Näherungswerte vorliegen Der Wert der Zentralladung des Goldatoms (100e) stimmt ungefähr mit dem Wert überein, der gefunden wurde, wenn ein Goldatom aus 49 Heliumatomen bestünde, die jeweils eine Ladung von 2e tragen. Vielleicht ist das nur ein Zufall, aber aus der Sicht der Emission von Heliumatomen mit zwei Ladungseinheiten durch eine radioaktive Substanz ist es sehr verlockend.“


J. J. Thomson und E. Rutherford

E. Rutherford, 1921:„Das Konzept der Kernstruktur des Atoms entstand ursprünglich aus Versuchen, die Streuung von α-Teilchen in großen Winkeln beim Durchgang durch dünne Materieschichten zu erklären. Da α-Teilchen eine große Masse und eine hohe Geschwindigkeit haben, waren diese signifikanten Abweichungen äußerst bemerkenswert; Sie deuteten auf die Existenz sehr elektrisch intensiver Exemplare hin! oder magnetische Felder innerhalb von Atomen. Um diese Ergebnisse zu erklären, musste man annehmen, dass das Atom aus einem geladenen massiven Kern besteht, der im Vergleich zum üblicherweise akzeptierten Wert des Atomdurchmessers sehr klein ist. Dieser positiv geladene Kern enthält den größten Teil der Atommasse und ist in einiger Entfernung von negativ verteilten Elektronen umgeben; deren Anzahl gleich der gesamten positiven Ladung des Kerns ist. Unter solchen Bedingungen sollte in der Nähe des Kerns ein sehr starkes elektrisches Feld herrschen und α-Teilchen werden beim Auftreffen auf ein einzelnes Atom, das nahe am Kern vorbeifliegt, in erheblichen Winkeln abgelenkt. Unter der Annahme, dass die elektrischen Kräfte umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands in der dem Kern benachbarten Region variieren, erhielt der Autor eine Beziehung, die die Anzahl der in einem bestimmten Winkel gestreuten α-Teilchen mit der Ladung des Kerns und der Energie des α verbindet -Partikel.
Die Frage, ob die Ordnungszahl eines Elements ein gültiges Maß für seine Kernladung ist, ist so wichtig, dass alle möglichen Methoden angewendet werden müssen, um sie zu lösen. Derzeit laufen im Cavendish Laboratory mehrere Studien, um die Genauigkeit dieser Beziehung zu testen. Die beiden direktesten Methoden basieren auf der Untersuchung der Streuung schneller α- und β-Strahlen. Die erste Methode wird von Chadwick verwendet, der neue Techniken verwendet; die letzte stammt von Crowthar. Die bisher von Chadwick erzielten Ergebnisse bestätigen vollständig die Identität der Ordnungszahl mit der Kernladung im Rahmen der möglichen Genauigkeit des Experiments, die für Chadwick bei etwa 1 % liegt.“

Trotz der Tatsache, dass die Kombination von zwei Protonen und zwei Neutronen eine äußerst stabile Formation darstellt, wird derzeit angenommen, dass α-Teilchen nicht als eigenständige Strukturformation im Kern enthalten sind. Bei α-radioaktiven Elementen ist die Bindungsenergie des α-Teilchens größer als die Energie, die erforderlich ist, um zwei Protonen und zwei Neutronen getrennt aus dem Kern zu entfernen, sodass das α-Teilchen aus dem Kern emittiert werden kann, obwohl es im Kern nicht vorhanden ist der Kern als unabhängige Bildung.
Rutherfords Annahme, dass der Atomkern aus einer bestimmten Anzahl von Heliumatomen oder aus positiv geladenen Satelliten des Kerns bestehen könnte, war eine völlig natürliche Erklärung für seine Entdeckung α Radioaktivität. Die Vorstellung, dass durch verschiedene Wechselwirkungen Teilchen entstehen könnten, existierte damals noch nicht.
Die Entdeckung des Atomkerns durch E. Rutherford im Jahr 1911 und die anschließende Untersuchung nuklearer Phänomene veränderten unser Verständnis der Welt um uns herum radikal. Es bereicherte die Wissenschaft mit neuen Konzepten und war der Beginn der Erforschung der subatomaren Struktur der Materie.

Der englische Physiker Ernest Rutherford wurde in Neuseeland in der Nähe von Nelson geboren. Er war eines von zwölf Kindern des Stellmachers und Bauarbeiters James Rutherford, einem Schotten, und der Englischlehrerin Martha (Thompson) Rutherford. Rutherford besuchte zunächst örtliche Grund- und weiterführende Schulen und wurde dann Stipendiat am Nelson College, einer privaten höheren Schule, wo er sich als talentierter Schüler, insbesondere in Mathematik, erwies. Dank seines akademischen Erfolgs erhielt Rutherford ein weiteres Stipendium, das ihm den Besuch des Canterbury College in Christchurch, einer der größten Städte Neuseelands, ermöglichte.

Im College wurde Rutherford stark von seinen Lehrern beeinflusst: dem Physik- und Chemielehrer E. W. Bickerton und dem Mathematiker J. H. H. Cook. Nachdem Rutherford 1892 einen Bachelor of Arts erhielt, blieb er am Canterbury College und setzte sein Studium dank eines Stipendiums in Mathematik fort. Im folgenden Jahr erlangte er den Master of Arts, wobei er die Prüfungen in Mathematik und Physik am besten bestand. Seine Masterarbeit befasste sich mit der Detektion hochfrequenter Radiowellen, deren Existenz vor etwa zehn Jahren nachgewiesen wurde. Um dieses Phänomen zu untersuchen, konstruierte er (einige Jahre vor Guglielmo Marconi) einen Funkempfänger und empfing mit seiner Hilfe Signale, die von Kollegen aus einer Entfernung von einer halben Meile gesendet wurden.

Im Jahr 1894 wurde Rutherford der Grad eines Bachelor of Science verliehen. Am Canterbury College war es Tradition, dass jeder Student, der einen Master of Arts abschloss und am College blieb, ein weiteres Studium absolvieren und einen Bachelor of Science erwerben musste. Anschließend unterrichtete Rutherford für kurze Zeit an einer der Jungenschulen in Christchurch. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Begabung für die Naturwissenschaften erhielt Rutherford ein Stipendium an der Universität Cambridge in England, wo er am Cavendish Laboratory, einem der weltweit führenden Zentren wissenschaftlicher Forschung, studierte.

In Cambridge arbeitete Rutherford unter der Aufsicht des englischen Physikers J. J. Thomson. Thomson war von Rutherfords Forschungen zu Radiowellen tief beeindruckt und schlug 1896 vor, gemeinsam die Wirkung von Röntgenstrahlen (ein Jahr zuvor von Wilhelm Röntgen entdeckt) auf elektrische Entladungen in Gasen zu untersuchen. Ihre Zusammenarbeit führte zu bedeutenden Ergebnissen, darunter Thomsons Entdeckung des Elektrons, eines Atomteilchens, das eine negative elektrische Ladung trägt. Basierend auf ihrer Forschung stellten Thomson und Rutherford die Hypothese auf, dass Röntgenstrahlen, wenn sie ein Gas durchdringen, die Atome dieses Gases zerstören und die gleiche Anzahl positiv und negativ geladener Teilchen freisetzen. Sie nannten diese Teilchen Ionen. Nach dieser Arbeit begann Rutherford mit der Erforschung der Atomstruktur.

Im Jahr 1898 nahm Rutherford eine Professur an der McGill University in Montreal, Kanada, an, wo er eine Reihe wichtiger Experimente zur radioaktiven Emission des Elements Uran begann. Bald entdeckte er zwei Arten dieser Strahlung: die Emission von Alphastrahlen, die nur eine kurze Distanz durchdringen, und Betastrahlen, die eine viel größere Distanz durchdringen. Rutherford entdeckte dann, dass radioaktives Thorium ein gasförmiges radioaktives Produkt abgab, das er „Emanation“ (Emission) nannte.

Weitere Untersuchungen ergaben, dass zwei weitere radioaktive Elemente – Radium und Actinium – ebenfalls Emanation erzeugen. Basierend auf diesen und anderen Entdeckungen gelangte Rutherford zu zwei wichtigen Schlussfolgerungen für das Verständnis der Natur der Strahlung: Alle bekannten radioaktiven Elemente emittieren Alpha- und Betastrahlen, und, was noch wichtiger ist, die Radioaktivität jedes radioaktiven Elements nimmt nach einer bestimmten Zeitspanne ab. Diese Ergebnisse gaben Anlass zu der Annahme, dass alle radioaktiven Elemente zur gleichen Familie von Atomen gehören und dass ihre Klassifizierung auf dem Zeitraum des Rückgangs ihrer Radioaktivität basieren kann.

Basierend auf weiteren Forschungen, die 1901–1902 an der McGill University durchgeführt wurden, skizzierten Rutherford und sein Kollege Frederick Soddy die Hauptprinzipien der von ihnen entwickelten Theorie der Radioaktivität. Nach dieser Theorie entsteht Radioaktivität, wenn ein Atom ein mit großer Geschwindigkeit ausgestoßenes Teilchen verliert und durch diesen Verlust ein Atom eines chemischen Elements in ein Atom eines anderen umgewandelt wird. Die von Rutherford und Soddy aufgestellte Theorie stand im Widerspruch zu einer Reihe früher bestehender Ideen, einschließlich der seit langem akzeptierten Vorstellung, dass Atome unteilbare und unveränderliche Teilchen seien. Rutherford führte weitere Experimente durch, um Ergebnisse zu erhalten, die seine Theorie bestätigten. 1903 bewies er, dass Alphateilchen eine positive Ladung tragen. Da diese Teilchen eine messbare Masse haben, ist ihr „Ausstoßen“ aus dem Atom entscheidend für die Umwandlung eines radioaktiven Elements in ein anderes. Die daraus resultierende Theorie ermöglichte es Rutherford auch, die Geschwindigkeit vorherzusagen, mit der sich verschiedene radioaktive Elemente in das, was er Tochtermaterial nannte, verwandeln würden. Der Wissenschaftler war überzeugt, dass Alphateilchen nicht vom Kern eines Heliumatoms zu unterscheiden seien. Die Bestätigung dafür kam, als Soddy, der damals mit dem englischen Chemiker William Ramsay zusammenarbeitete, entdeckte, dass Radiumemanationen Helium enthielten, das mutmaßliche Alphateilchen.

Im Jahr 1907 übernahm Rutherford den Posten eines Professors für Physik an der Universität Manchester (England), um näher am Zentrum der wissenschaftlichen Forschung zu sein. Mit Hilfe von Hans Geiger, der später als Erfinder des Geigerzählers berühmt wurde, gründete Rutherford in Manchester eine Schule für das Studium der Radioaktivität.

Im Jahr 1908 erhielt Rutherford den Nobelpreis für Chemie „für seine Forschungen zum Zerfall von Elementen in der Chemie radioaktiver Substanzen“. In seiner Eröffnungsrede im Namen der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften wies C. B. Hasselberg auf den Zusammenhang zwischen der Arbeit von Rutherford und der Arbeit von J. J. Thomson, Henri Becquerel, Pierre und Marie Curie hin. „Die Entdeckungen führten zu einer erstaunlichen Schlussfolgerung: Ein chemisches Element … ist in der Lage, sich in andere Elemente umzuwandeln“, sagte Hasselberg. In seiner Nobelvorlesung bemerkte Rutherford: „Es gibt allen Grund zu der Annahme, dass die Alphateilchen, die von den meisten radioaktiven Substanzen so frei ausgestoßen werden, in Masse und Zusammensetzung identisch sind und aus den Kernen von Heliumatomen bestehen müssen.“ Wir kommen daher nicht umhin, zu dem Schluss zu kommen, dass die Atome der radioaktiven Grundelemente wie Uran und Thorium zumindest teilweise aus Heliumatomen aufgebaut sein müssen.“

Nach Erhalt des Nobelpreises begann Rutherford mit der Untersuchung eines Phänomens, das beobachtet wurde, als eine Platte aus dünner Goldfolie mit Alphateilchen bombardiert wurde, die von einem radioaktiven Element wie Uran emittiert wurden. Es stellte sich heraus, dass es anhand des Reflexionswinkels von Alphateilchen möglich ist, die Struktur der stabilen Elemente zu untersuchen, aus denen die Platte besteht. Nach den damals akzeptierten Vorstellungen glich das Atommodell einem Rosinenpudding: Positive und negative Ladungen waren gleichmäßig im Atom verteilt und konnten daher die Bewegungsrichtung von Alphateilchen nicht wesentlich ändern. Rutherford bemerkte jedoch, dass bestimmte Alphateilchen viel stärker von der erwarteten Richtung abwichen, als die Theorie zuließ. In Zusammenarbeit mit Ernest Marsden, einem Studenten der Universität Manchester, bestätigte der Wissenschaftler, dass eine ganze Reihe von Alphateilchen weiter als erwartet abgelenkt wurden, einige in Winkeln von mehr als 90 Grad.

Als Rutherford über dieses Phänomen nachdachte, schlug er 1911 ein neues Atommodell vor. Nach seiner heute allgemein anerkannten Theorie sind positiv geladene Teilchen im schweren Zentrum des Atoms konzentriert und negativ geladene Teilchen (Elektronen) kreisen in ziemlich großer Entfernung um den Kern. Dieses Modell geht, ähnlich wie ein winziges Modell des Sonnensystems, davon aus, dass Atome größtenteils aus leerem Raum bestehen. Die breite Anerkennung von Rutherfords Theorien begann im Jahr 1913, als der dänische Physiker Niels Bohr sich der Arbeit des Wissenschaftlers an der Universität Manchester anschloss. Bohr zeigte, dass mit der von Rutherford vorgeschlagenen Struktur die bekannten physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffatoms sowie der Atome mehrerer schwererer Elemente erklärt werden könnten.

Als der Erste Weltkrieg ausbrach, wurde Rutherford in das Zivilkomitee des Office of Invention and Research der britischen Admiralität berufen und untersuchte das Problem der Ortung von U-Booten mithilfe der Akustik. Nach dem Krieg kehrte er in das Labor von Manchester zurück und machte 1919 eine weitere grundlegende Entdeckung. Während er die Struktur von Wasserstoffatomen untersuchte, indem er sie mit schnellen Alphateilchen beschoss, bemerkte er auf seinem Detektor ein Signal, das damit erklärt werden konnte, dass der Kern eines Wasserstoffatoms durch eine Kollision mit einem Alphateilchen in Bewegung gesetzt wurde. Allerdings erschien genau das gleiche Signal, als der Wissenschaftler Wasserstoffatome durch Stickstoffatome ersetzte. Rutherford erklärte den Grund für dieses Phänomen damit, dass Bombardierung den Zerfall eines stabilen Atoms verursacht. Diese. In einem Prozess, der dem natürlich vorkommenden Zerfall durch Strahlung ähnelt, schlägt ein Alphateilchen ein einzelnes Proton (den Kern eines Wasserstoffatoms) aus dem normalerweise stabilen Kern eines Stickstoffatoms heraus und verleiht ihm eine ungeheure Geschwindigkeit. Weitere Beweise für diese Interpretation dieses Phänomens wurden 1934 gewonnen, als Frédéric Joliot und Irène Joliot-Curie künstliche Radioaktivität entdeckten.

1919 wechselte Rutherford an die Universität Cambridge und trat die Nachfolge von Thomson als Professor für Experimentalphysik und Direktor des Cavendish Laboratory an. 1921 übernahm er die Stelle eines Professors für Naturwissenschaften an der Royal Institution in London. 1930 wurde Rutherford zum Vorsitzenden des Regierungsbeirats des Office of Scientific and Industrial Research ernannt. Als Wissenschaftler auf dem Höhepunkt seiner Karriere zog er viele talentierte junge Physiker für die Arbeit in seinem Labor in Cambridge an, darunter auch P. M. Blackett, John Cockcroft, James Chadwick und Ernest Walton. Obwohl Rutherford selbst weniger Zeit für aktive Forschung hatte, trugen sein großes Interesse an der Forschung und seine klare Führung dazu bei, das hohe Arbeitsniveau in seinem Labor aufrechtzuerhalten. Studenten und Kollegen erinnerten sich an den Wissenschaftler als einen süßen, freundlichen Menschen. Neben der ihm als Theoretiker innewohnenden Gabe der Weitsicht hatte Rutherford auch eine praktische Ader. Ihr war es zu verdanken, dass er die beobachteten Phänomene immer präzise erklärte, egal wie ungewöhnlich sie auf den ersten Blick erscheinen mochten.

Rutherford war besorgt über die Politik der Nazi-Regierung unter Adolf Hitler und wurde 1933 Präsident des Academic Relief Council, der gegründet wurde, um Menschen zu helfen, die aus Deutschland flohen. Im Jahr 1900 heiratete Rutherford während einer kurzen Reise nach Neuseeland Mary Newton, die ihm eine Tochter gebar. Er erfreute sich fast bis zu seinem Lebensende einer guten Gesundheit und starb 1937 nach kurzer Krankheit in Cambridge. Rutherford ist in der Westminster Abbey in der Nähe der Gräber von Isaac Newton und Charles Darwin begraben.

Zu Rutherfords Auszeichnungen zählen die Rumford Medal (1904) und die Copley Medal (1922) der Royal Society of London sowie der British Order of Merit (1925). 1931 wurde dem Wissenschaftler der Adelsstand verliehen. Rutherford erhielt Ehrentitel von den Universitäten Neuseeland, Cambridge, Wisconsin, Pennsylvania und McGill. Er war korrespondierendes Mitglied der Royal Society of Göttingen sowie Mitglied des New Zealand Philosophical Institute und der American Philosophical Society. Die Academy of Sciences of St. Louis, die Royal Society of London und die British Association for the Advancement of Science.

(1871-1937) Englischer Physiker, Begründer der Kernphysik

Ernest Rutherford wurde in Spring Grove (heute Brightwater) in Neuseeland in einer einfachen schottischen Familie geboren. Sein Vater, James Rutherford, war Stellmacher und seine Mutter, Martha Thomson, war Lehrerin. Ernest war das vierte von zwölf Kindern. Seit seiner Kindheit war er ein sehr aufmerksamer und fleißiger Junge. Nachdem er die Grundschule als bester Schüler abgeschlossen hatte, erhielt Ernest ein Stipendium, um seine Ausbildung am Nelson Provincial College fortzusetzen, wo er 1887 in die fünfte Klasse eintrat. Bereits hier zeigten sich seine außergewöhnlichen Fähigkeiten für die Mathematik; außerdem war er gut in Physik, Chemie, Literatur, Latein und Französisch. Als Kind entwarf Ernest gern verschiedene Mechanismen: Er baute Modelle von Wassermühlen, Autos und baute sogar eine Kamera.

Nach seinem College-Abschluss besuchte er das Canterbury College der University of New Zealand in Christchurch. Hier beginnt Rutherford, sich ernsthafter mit Physik und Chemie zu beschäftigen, arbeitet in Studentenkreisen und ist sogar einer der Initiatoren der Gründung einer wissenschaftlichen Studentenvereinigung an der Universität.

Nachdem Rutherford einen Artikel des deutschen Physikers Heinrich Hertz über die Entdeckung elektromagnetischer Wellen gelesen hatte, beschloss er, deren Eigenschaften zu untersuchen. Bei der Erkennung eingehender elektromagnetischer Wellen trat jedoch ein Problem auf. Er konnte feststellen, dass ihr Vorhandensein anhand der Entmagnetisierung von Eisen beurteilt werden kann. Dies war die erste echte Entdeckung des 23-jährigen Rutherford.

Im Jahr 1894 schloss Ernest das College mit Auszeichnung ab und erhielt einen Master-Abschluss in Physik und Mathematik. Er wurde Physiklehrer an einer weiterführenden Schule, hatte aber auf diesem Gebiet keinen Erfolg. Im Jahr 1895 erhielt er das größte Stipendium – das „1851-Stipendium“, das die Möglichkeit zu Praktika in den besten Labors des Landes bot. Im Herbst 1895 kam Rutherford in Cambridge, dem wissenschaftlichen Zentrum Englands, an und begann unter der Leitung des herausragenden englischen Physikers Joseph John Thomson (1856-1940) am Cavendish Laboratory zu arbeiten.

Ernest setzt seine Forschungen auf dem Gebiet der elektromagnetischen Wellen fort und schafft es 1896, eine Funkkommunikation in einer Entfernung von etwa 3 Kilometern herzustellen. Die praktische Seite der Funkkommunikation interessierte ihn wenig, deshalb stellte er seine Arbeit in diesem Bereich ein und schenkte den Sender dem italienischen Ingenieur G. Marconi, der ihn für seine Forschungen verwendete. Zu dieser Zeit begann Rutherford zusammen mit J. J. Thomson mit der Untersuchung der Ionisierung von Gasen und Luft mithilfe verschiedener Methoden, einschließlich Röntgenstrahlen. Doch nach Becquerels Entdeckung der Radioaktivität im Jahr 1896 begann Rutherford, die Strahlen von Röntgen und Becquerel zu vergleichen.

1898 erhielt er eine Stelle als Professor für Physik an der McGill University in Montreal und kam im September desselben Jahres nach Kanada. Er arbeitete neun Jahre lang – bis 1907 – an der McGill University und machte viele wichtige Entdeckungen. Im Jahr 1898 begann Rutherford mit der Erforschung der Uranstrahlung, deren Ergebnisse 1899 in dem Artikel „Radiation of Uranium and Electrical Conductivity Created by It“ veröffentlicht wurden. Durch die Untersuchung der Uranstrahlung in einem Magnetfeld stellte Rutherford fest, dass sie aus zwei Komponenten besteht. Er nannte die erste Komponente, die in eine Richtung abweicht und von einem Blatt Papier leicht absorbiert wird, Alphastrahlen, und die zweite, die in die entgegengesetzte Richtung abweicht und eine größere Durchdringungskraft hat, Betastrahlen.

Im Jahr 1900 entdeckte Villard eine weitere Komponente der Uranstrahlung, die sich in einem Magnetfeld nicht veränderte und die größte Durchdringungskraft besaß; sie wurde Gammastrahlung genannt. Im Jahr 1900 entdeckte Rutherford bei der Untersuchung der Radioaktivität von Thorium ein neues Gas, das später Radon genannt wurde. Zusammen mit dem englischen Physiker und Chemiker Frederick Soddy entwickelte er 1902–1903 die Theorie des radioaktiven Zerfalls und begründete das Gesetz der radioaktiven Umwandlungen. Rutherford sagte die Existenz transuranischer Elemente voraus. Das Ergebnis der neunjährigen Arbeit des Wissenschaftlers in Montreal sind mehr als 50 veröffentlichte wissenschaftliche Artikel und das Buch „Radioaktivität“, das alle der Wissenschaft bekannten Erkenntnisse über dieses Phänomen zusammenfasst.

Rutherfords Name wird berühmt und er erhält eine Einladung, die Stelle eines Professors an der Physikabteilung der Universität Manchester und Direktor des Physiklabors zu übernehmen. Am 24. Mai 1907 kehrte Ernest Rutherford nach Europa zurück und begann in Kanada mit der Erforschung der Natur der Alphateilchen und ihres Durchgangs durch Materie. Für seine Forschungen zur Umwandlung von Elementen und zur Chemie radioaktiver Substanzen erhielt er 1908 den Nobelpreis für Chemie.

In Manchester stellte Rutherford ein Team herausragender Forscher aus der ganzen Welt zusammen, darunter der deutsche Physiker Hans Geiger (1882–1945), der englische Physiker Henry Moseley (1887–1915) und der neuseeländische Physiker, damals Student im letzten Jahr , Ernest Marsden (1889–1970) und andere Wissenschaftler. In einer Atmosphäre kollektiver wissenschaftlicher Kreativität wurden Rutherfords wichtigste wissenschaftliche Entdeckungen gemacht. 1908 entwickelten er und Geiger ein Gerät zur Aufzeichnung einzelner geladener Teilchen, den sogenannten Geigerzähler. 1909 entdeckte er die Natur der Alphateilchen: Es handelt sich um doppelt ionisierte Heliumatome. Basierend auf den Ergebnissen der Experimente seiner Schüler Marsden und Geiger stellte er 1911 das Gesetz der Streuung von Alphateilchen durch Atome verschiedener Elemente auf, das ihn im Mai 1911 zur Schaffung eines neuen Atommodells führte – planetarisch. Nach diesem Modell ähnelt das Atom dem Sonnensystem: Im Zentrum befindet sich ein massiver positiver Kern mit einem Durchmesser von etwa 10 12 cm, um den negative Elektronen auf Kreisbahnen rotieren. Die Anzahl der im Atomkern enthaltenen positiven Elementarladungen stimmt mit der Seriennummer des Elements in der Tabelle von D. I. Mendelejew überein; seine Hülle enthält die gleiche Anzahl an Elektronen, da das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist.

Bevor Rutherford ausrufen konnte: „Jetzt weiß ich, wie ein Atom aussieht!“, mussten Marsden und Geiger mehr als 2 Millionen kaum sichtbare Szintillationen (Flares) von Alphateilchen entdecken und zählen.

1912 kam der herausragende dänische Physiker Niels Bohr nach Manchester. Es gelang ihm, die Widersprüche im von Rutherford vorgeschlagenen Planetenmodell des Atoms zu beseitigen. Seine Arbeit führte zum Rutherford-Bohr-Modell des Atoms, das den Grundstein für die Quanten- und Kernphysik legte.

Im Jahr 1914 brachte Rutherford die Idee vor, Atomkerne künstlich umzuwandeln. Doch der Ausbruch des Ersten Weltkriegs unterbrach die Forschung und zerstreute das befreundete Team auf verschiedene Länder, die miteinander Krieg führten. Rutherford selbst war in der militärischen Forschung tätig und entwickelte akustische Methoden zur Bekämpfung deutscher U-Boote. An der Front wurde 1915 im Alter von 28 Jahren Henry Moseley, einer seiner besten Schüler, der sich mit einer bedeutenden Entdeckung in der Röntgenspektroskopie einen Namen machte, getötet. James Chadwick befand sich in deutscher Gefangenschaft, Marsden kämpfte in Frankreich und Niels Bohr kehrte nach Kopenhagen zurück. Erst nach dem Krieg konnte Rutherford seine Forschungen wieder aufnehmen.

1919 zog er nach Cambridge, wo er die Stelle eines Professors an der Universität Cambridge antrat und die Nachfolge seines Lehrers J. J. Thomson antrat und Direktor des Cavendish Laboratory wurde. Dieses Amt hatte der Wissenschaftler bis zu seinem Lebensende inne. Die fortgesetzte Forschung bringt brillante Ergebnisse: Es wurde eine künstliche Kernreaktion durchgeführt, bei der Stickstoff in Sauerstoff umgewandelt wurde, was den Grundstein für die moderne Kernphysik legte. Im Jahr 1920 sagte Rutherford die Existenz des Neutrons voraus, eines neutralen Teilchens mit der gleichen Masse wie ein Wasserstoffkern. Ein solches Teilchen wurde 1932 von seinem Schüler und Mitarbeiter Chadwick entdeckt, der in diesem Zusammenhang Nobelpreisträger wurde. Unter der Leitung von Rutherford wurde das Cavendish Laboratory zu einem wissenschaftlichen Mekka für Physiker aus allen Ländern.

Er behandelte seine Studenten mit außergewöhnlicher Sorgfalt, nannte sie liebevoll „Jungen“ und erlaubte ihnen nicht, länger als sechs Uhr abends im Labor zu arbeiten, und am Wochenende erlaubte er ihnen überhaupt nicht, zu arbeiten. Er führte seine Schüler wie ein „gütiger Familienvater“ und sie nannten ihren Lehrer liebevoll „Vater“. Jeden Tag versammelte Rutherford seine Mitarbeiter bei einer Tasse Tee, um nicht nur wissenschaftliche Probleme und Ergebnisse von Experimenten, sondern auch Fragen der Politik, Kunst und Literatur zu diskutieren. Der große Wissenschaftler war völlig frei von Steifheit, Snobismus und dem Wunsch, eine Atmosphäre der Bewunderung um sich herum zu schaffen.

Auch die sowjetischen Physiker Yu. B. Khariton, A. I. Leipunsky, K. D. Sinelnikov, L. D. Landau und andere studierten bei ihm. Im Jahr 1921 kam der junge sowjetische Physiker Pjotr ​​Leonidowitsch Kapitsa (1894–1984) nach Rutherford in Cambridge und arbeitete dort 13 Jahre lang. Er wurde ein aktiver Mitarbeiter und Freund Rutherfords, erfüllte die Hoffnungen seines Lehrers und erzielte herausragende wissenschaftliche Ergebnisse. Im Jahr 1971 wurde auf Initiative von P. L. Kapitsa zum 100. Geburtstag des Wissenschaftlers in unserem Land eine Rutherford-Gedenkmedaille verliehen und eine Sammlung seiner Werke veröffentlicht.

Er war Mitglied aller Akademien der Wissenschaften der Welt, seit 1925 ausländisches Mitglied der Akademie der Wissenschaften der Sowjetunion; ab 1903 Mitglied der Royal Society of London und von 1925 bis 1930 deren Präsident. 1931 wurde er zum Baron ernannt und wurde Lord Nelson. Der große Experimentator wurde für seine wissenschaftlichen Leistungen mit allen Auszeichnungen der wissenschaftlichen Welt ausgezeichnet.

Ernest Rutherford starb am 19. Oktober 1937 im Alter von 66 Jahren. Sein Tod war ein großer Verlust für die Wissenschaft, zahlreiche Studierende und die gesamte Menschheit. Der große Physiker ist in der Westminster Abbey begraben – in der St. Paul’s Cathedral, neben den Gräbern von I. Newton, M. Faraday, C. Darwin, W. Herschel, in einem der Kirchenschiffe der Kathedrale, genannt „Science Corner“. “.

Ernest Rutherford gilt als der größte Experimentalphysiker des 20. Jahrhunderts. Er ist eine zentrale Figur in unserem Wissen über Radioaktivität und der Mann, der Pionier der Kernphysik war. Zusätzlich zu ihrer enormen theoretischen Bedeutung hatten seine Entdeckungen ein breites Anwendungsspektrum, darunter: Atomwaffen, Kernkraftwerke, radioaktive Berechnung und Strahlenforschung. Der Einfluss von Rutherfords Werk auf die Welt ist enorm. Es wächst weiter und dürfte in Zukunft noch weiter zunehmen.

Rutherford ist in Neuseeland geboren und aufgewachsen. Dort besuchte er das Canterbury College und erhielt im Alter von 23 Jahren drei Abschlüsse (Bachelor of Arts, Bachelor of Science, Master of Arts). Im folgenden Jahr erhielt er einen Studienplatz an der Universität Cambridge in England, wo er drei Jahre als Forschungsstudent bei J. J. Thomson, einem der führenden Wissenschaftler seiner Zeit, verbrachte. Mit siebenundzwanzig wurde Rutherford Professor für Physik an der McGill University in Kanada. Er arbeitete dort neun Jahre lang und kehrte 1907 nach England zurück, um die Physikabteilung der Universität Manchester zu leiten. 1919 kehrte Rutherford nach Cambridge zurück, diesmal als Direktor des Cavendish Laboratory, eine Position, die er für den Rest seines Lebens innehatte.



Die Radioaktivität wurde 1896 vom französischen Wissenschaftler Antoine Henri Becquerel entdeckt, als er mit Uranverbindungen experimentierte. Doch Becquerel verlor bald das Interesse an dem Thema und ein Großteil unseres Grundwissens über Radioaktivität stammt aus Rutherfords umfangreichen Forschungen. (Marie und Pierre Curie entdeckten zwei weitere radioaktive Elemente, Polonium und Radium, machten jedoch keine Entdeckungen von grundlegender Bedeutung.)

Eine von Rutherfords ersten Entdeckungen war, dass die radioaktive Strahlung von Uran aus zwei verschiedenen Komponenten besteht, die der Wissenschaftler Alpha- und Betastrahlen nannte. Später demonstrierte er die Natur jeder Komponente (sie bestehen aus sich schnell bewegenden Teilchen) und zeigte, dass es auch eine dritte Komponente gab, die er Gammastrahlen nannte.

Ein wichtiges Merkmal der Radioaktivität ist die damit verbundene Energie. Becquerel, die Curies und viele andere Wissenschaftler betrachteten Energie als externe Quelle. Aber Rutherford hat bewiesen, dass diese Energie – die viel stärker ist als die, die durch chemische Reaktionen freigesetzt wird – aus dem Inneren einzelner Uranatome stammt! Damit legte er den Grundstein für das wichtige Konzept der Atomenergie.

Wissenschaftler gehen seit jeher davon aus, dass einzelne Atome unteilbar und unveränderlich sind. Aber Rutherford konnte (mit Hilfe eines sehr talentierten jungen Assistenten, Frederick Soddy) zeigen, dass sich ein Atom, wenn es Alpha- oder Betastrahlen aussendet, in eine andere Art von Atom verwandelt. Die Chemiker konnten es zunächst nicht glauben. Rutherford und Soddy führten jedoch eine ganze Reihe von Experimenten mit radioaktivem Zerfall durch und wandelten Uran in Blei um. Rutherford maß auch die Zerfallsrate und formulierte das wichtige Konzept der „Halbwertszeit“. Dies führte bald zur Technik der radioaktiven Analysis, die zu einem der wichtigsten wissenschaftlichen Werkzeuge wurde und breite Anwendung in der Geologie, Archäologie, Astronomie und vielen anderen Bereichen fand.

Diese erstaunliche Reihe von Entdeckungen brachte Rutherford 1908 den Nobelpreis ein (Soddy sollte später einen Nobelpreis gewinnen), aber sein größter Erfolg sollte noch bevorstehen. Er bemerkte, dass sich schnell bewegende Alphateilchen zwar durch dünne Goldfolie hindurchdringen konnten (ohne sichtbare Spuren zu hinterlassen!), dabei aber leicht abgelenkt wurden. Es wurde vermutet, dass die Goldatome, hart und undurchdringlich, wie „winzige Billardkugeln“ – wie Wissenschaftler zuvor geglaubt hatten – im Inneren weich waren! Es sah so aus, als könnten kleinere, härtere Alphateilchen durch Goldatome dringen wie eine Hochgeschwindigkeitskugel durch Gelee.

Aber Rutherford (in Zusammenarbeit mit Geiger und Marsden, seinen beiden jungen Assistenten) entdeckte, dass einige Alphateilchen beim Durchgang durch Goldfolie sehr stark abgelenkt wurden. Tatsächlich fliegen einige sogar rückwärts! Da der Wissenschaftler spürte, dass dahinter etwas Wichtiges steckte, zählte er sorgfältig die Anzahl der in jede Richtung fliegenden Teilchen. Dann zeigte er durch eine komplexe, aber durchaus überzeugende mathematische Analyse die einzige Möglichkeit auf, die Ergebnisse der Experimente zu erklären: Das Goldatom bestand fast ausschließlich aus leerem Raum, und fast die gesamte Atommasse war im Zentrum konzentriert. im kleinen „Kern“ des Atoms!

Das Beste des Tages

Mit einem Schlag erschütterte Rutherfords Werk unser konventionelles Weltbild für immer. Wenn selbst ein Stück Metall – scheinbar das härteste aller Objekte – im Grunde genommen leerer Raum wäre, dann zerfiel alles, was wir für substanziell hielten, plötzlich in winzige Sandkörner, die in der riesigen Leere umherliefen!

Rutherfords Entdeckung der Atomkerne ist die Grundlage aller modernen Theorien der Atomstruktur. Als Niels Bohr zwei Jahre später sein berühmtes Werk veröffentlichte, in dem er das Atom als ein Miniatur-Sonnensystem beschrieb, das von der Quantenmechanik gesteuert wird, nutzte er Rutherfords Kerntheorie als Ausgangspunkt für sein Modell. Das taten auch Heisenberg und Schrödinger, als sie mithilfe der klassischen Mechanik und der Wellenmechanik komplexere Atommodelle konstruierten.

Rutherfords Entdeckung führte auch zur Entstehung eines neuen Wissenschaftszweigs: der Erforschung des Atomkerns. Auch auf diesem Gebiet war Rutherford dazu bestimmt, ein Pionier zu werden. 1919 gelang ihm die Umwandlung von Stickstoffkernen in Sauerstoffkerne, indem er diese mit sich schnell bewegenden Alphateilchen beschoss. Dies war eine Errungenschaft, von der die alten Alchemisten träumten.

Es wurde schnell klar, dass nukleare Transformationen eine Energiequelle aus der Sonne sein könnten. Darüber hinaus ist die Umwandlung von Atomkernen ein Schlüsselprozess bei Atomwaffen und Kernkraftwerken. Folglich ist Rutherfords Entdeckung von weit mehr als nur akademischem Interesse.

Rutherfords Persönlichkeit überraschte immer wieder jeden, der ihn traf. Er war ein großer Mann mit lauter Stimme, grenzenloser Energie und einem spürbaren Mangel an Bescheidenheit. Als Kollegen Rutherfords unheimliche Fähigkeit bemerkten, immer „auf dem Höhepunkt einer Welle“ wissenschaftlicher Forschung zu sein, antwortete er sofort: „Warum nicht? Schließlich habe ich die Welle verursacht, nicht wahr?“ Nur wenige Wissenschaftler würden dieser Behauptung widersprechen.