История ядерной физики

 В 1919 г. Резерфорд  перешел в Кембриджский университет,  став преемником Томсона в  качестве профессора экспериментальной  физики и директора Кавендишской  лаборатории, а в 1921 занял должность  профессора естественных наук  в Королевском институте в  Лондоне. В 1930 г. Резерфорд был  назначен председателем правительственного  консультативного совета Управления  научных и промышленных исследований. Находясь на вершине своей  карьеры, ученый привлекал к  работе в своей лаборатории  в Кембридже много талантливых  молодых физиков, в т.ч. П.  М. Блэкетта, Джона Кокрофта,  Джеймса  Чедвика и Эрнеста Уолтона.  Несмотря на то, что у самого  Резерфорда оставалось из-за этого  меньше времени на активную  исследовательскую работу, его глубокая  заинтересованность в проводимых  исследованиях и четкое руководство  помогали поддерживать высокий  уровень работ, осуществляемых  в его лаборатории. Ученики  и коллеги вспоминали об ученом  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.

 Обеспокоенный  политикой, проводимой нацистским  правительством Адольфа Гитлера,  Резерфорд в 1933 г. стал президентом  Академического совета помощи, который  был создан для оказания содействия  тем, кто бежал из Германии. В 1900 г., во время краткой поездки  в Новую Зеландию, Резерфорд женился  на Мэри Ньютон, которая родила  ему дочь. Почти до конца жизни  он отличался крепким здоровьем  и умер в Кембридже в 1937 г.  после непродолжительной болезни.  Резерфорд похоронен в Вестминстерском  аббатстве неподалеку от могил   Исаака Ньютона и Чарльза Дарвина. 

 

 В числе полученных  Резерфордом наград медаль Румфорда (1904) и медаль Копли (1922) Лондонского  королевского общества, а также  британский орден «За заслуги» (1925). В 1931 г. ученому был пожалован  титул пэра. Резерфорд был удостоен  почётных степеней Новозеландского,  Кембриджского, Висконсинского, Пенсильванского  и Макгиллского университетов.  Он являлся членом-корреспондентом  Гёттингенского королевского общества, а также членом Новозеландского  философского института, Американского  философского общества. Академии  наук Сент-Луи,  Лондонского королевского  общества и Британской ассоциации  содействия развитию науки.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Закон радиоактивного распада

 

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий  зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Они обнаружили его экспериментальным  путём и опубликовали в 1903 году в  работах «Сравнительное изучение радиоактивности  радия и тория» и «Радиоактивное превращение», сформулировав следующим  образом: во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов  и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях  уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии. [5]

Этот закон считается  основным законом радиоактивности, из него было извлечено несколько  важных следствий, среди которых  формулировки характеристик распада  — среднее время жизни атома и период полураспада.

Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают  лучи трёх типов, которые по-разному  отклоняются в магнитном поле:

• лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;
• лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);
• лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.[6]

В наши дни радионуклиды известны у большинства химических элементов. Они имеют много самых  разных применений, особенно в химии  и биохимии. Дело в том, что химическое поведение радионуклидов какого-либо элемента практически такое же, как и у его стабильных нуклидов. Но ядра радионуклидов в момент распада “посылают сигнал” о своём присутствии. Учёные разработали аппаратуру, позволяющую надёжно регистрировать сигналы от распада буквально единичных атомов. Благодаря этому становится возможным использовать радионуклиды в качестве атомов-меток, так называемых радиоактивных индикаторов.

      Например, с помощью фосфора-32 можно установить, как кукуруза усваивает из  почвы фосфорное удобрение. В  удобрение добавляют очень малое  количество радионуклида. Далее,  анализируя радиоактивность различных  частей растения, можно определить, быстро ли фосфат усваивает  корни, с какой скоростью он  поступает в листья, стебли или  початки и как усвоение удобрения  зависит от его химической  формы ( в частности, от того, в виде какой именно соли  – аммония, калия или кальция  – взят фосфат), от способа  введения в почву и других  факторов. Полученная информация  позволила существенно повысить  эффективность применения минеральных  удобрений. 

      Аналогичным  образом на подопытных животных  можно проследить действие лекарств, содержащих радиоактивные индикаторы. Использование радионуклидов позволяет  наблюдать и за поведением  различных микропримесей в технологических  процессах. 

      Так  как для установления природы  радионуклидов достаточно буквально  единичных атомов, по результатам  исследования пряди волос Наполеона,  сохранившейся до наших дней, удавалось выяснить, что в конце  жизни его организм получал  избыток мышьяка. Возможно, именно  это и стало причинной болезни  и смерти.[7]

 

 

 

 

Ядерная модель атома

 

В модели Томсона масса  атома равномерно распределена по его  объему. Резерфорд доказал, что это  предположение неверно. В результате опытов по рассеянию а-частиц металлической  фольгой он установил, что в редких случаях (1 из 10 000) а-частица отклоняется  на угол больше 90°, тогда как большинство  а-частиц свободно проходило через  тонкую фольгу, отклоняясь на очень  незначительный угол.

Резерфорд писал: «Это было почти так же невероятно, как  если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в  вас».

Это позволило Резерфорду предположить, что в атоме существует положительно заряженное ядро малого размера, сосредоточившее в себе почти всю массу атома. Опыты  Резерфорда доказали, что ядра атомов обладают большой прочностью, так  как не разрушаются даже при столкновениях  с массивными а-частицами, которые  ударяют о них с большой  силой.

На основании своих  исследований Резерфорд модифицировал  планетарную модель атома. Согласно его теории, атом состоит яз положительно заряженного массивного ядра и электронов, которые движутся вокруг него, образуя  электронную оболочку атома. Ядро имеет  очень маленький размер, однако в  нем сосредоточено 99,9% всей массы  атома. Заряд ядра по величине равен  сумме зарядов электронов атома.

Определение заряда ядра вооружило ученых одной из наиболее важных характеристик атома. В 1913 году было доказано, что заряд ядра совпадает  с порядковым номером элемента в  периодической системе Д. И. Менделеева. Нильс Бор писал: «С самого начала было ясно, что, благодаря большой  массе ядра и его малой протяженности  в пространстве сравнительно с размерами  всего атома, строение электронной  системы должно зависеть почти исключительно  от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом...».

Эксперименты Резерфорда послужили основой для создания современной протонно-нейтронной модели атома. Согласно ей, в центре атома  находится ядро, весь остальной объем  атома занимают электроны. Ядро состоит  из положительно заряженных протонов и нейтронов, которые не имеют  заряда. Разные электроны притягиваются  к ядру с разной силой, полому некоторые  из них могут «отрываться», превращая  атом в положительно заряженный ион (катион). Если же атом присоединяет электроны, то он превращается в отрицательно заряженный нон (анион).

Проникнувшись идеями Резерфорда, Бор на основе планетарной  модели развивает теорию строения атома, которая впоследствии была названа  моделью Резерфорда-Бора.

Дело в том, что  классическая модель Резерфорда не могла  объяснить некоторые явления  в атоме. Так оставалась непонятной устойчивость атома. Теоретически двигаясь по своим орбитам с большим  ускорением электрон должен излучать электромагнитные волны, что сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен приближаться к ядру и очень скоро упасть на него. Кроме того, не удавалось объяснить  происхождение спектров атомов, состоящих  из определенных линий. Если характер движения электрона объяснять законами электродинамики, то спектр атома должен быть сплошной, в то время как  экспериментально были получены линейчатые спектры. Линии в них группируются в серии и сгущаются в коротковолновой  части спектра. Предполагалось, что  частоты линий соответствующих  серий подчиняются определенным математическим законам.

«Основным результатом  тщательного анализа видимой  серии линейчатых спектров и их взаимоотношений, - писал Бор, - было установление того факта, что частота каждой линии  спектра данного элемента может быть представлена с необыкновенной точностью. Бору удалось найти объяснение этого основного закона спектроскопии. Но для этого ему пришлось цвести понятие стационарных орбит или состояний атомов, в которых электрон совершает движение по орбите, не излучая при этом энергии.

Эта идея сейчас широко известна под названием первого  постулата Бора. Он противоречит и  классической механике, и электродинамике  Максвелла. Во-первых, он четко определяет энергию электронов в каждом стационарном состоянии, а во-вторых, допускает  возможность ускоренного движения без излучения электромагнитных волн.

Второй постулат Бора также противоречит электродинамике  Максвелла, связывая частоту излучения  исключительно с изменением энергии  атома, а не частотой обращения электрона  по орбите. Однако эти постулаты  подтверждаются квантово-механическими  расчетами. Поэтому на сегодняшний  день модель атома Бора является главной  отправной точкой для разработки единой последовательной теории атомного ядра.

В 1919 году Резерфорд  сделал очередное сенсационное открытие. Ему удалось расщепить ядро.

Изучая столкновения а-частиц с легкими атомами, Резерфорд  установил, что при ударе а-частицы  о ядро водорода оно увеличивает  свою скорость в 1,6 раза и отбирает 64% энергии х-частицы. В результате столкновений атомов азота с а-частицами  получаются частицы с максимальным пробегом, соответствующим пробегу  атомов водорода.

«Из полученных до сих  пор результатов, - писал Резерфорд, - трудно избежать заключения, что атомы  с большим пробегом, возникающие  при столкновении а-частиц с азотом, являются не атомами азота, но, по всей вероятности, атомами водорода или  атомами с массой 2. Если это так, то мы должны заключить, что атом азота  распадается вследствие громадных  сил, развивающихся при столкновении с быстрой с-частицей, и что  освобождающийся водородный атом образует составную часть атома».

 

Так была впервые высказана  мысль о том, что ядра водорода являются основной частью ядер атомов. Позднее для обозначения ядер водорода был предложен термин «протон».

Большим шагом к  установлению, строения атома стала  гипотеза М. Склодовской-Кюри о том, что в состав ядра входят электроны. Опираясь на нее, Резерфорд предположил, что в природе существуют ядра с массой одного, двух и трех ядер водорода, но с нулевым зарядом.

Резерфорд писал, что  ему «кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать  два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность  существования атома с массой около 2 и с одним зарядом. Такое  вещество нужно рассматривать как  изотоп водорода. Второе предположение  заключает в себе мысль о возможности  существования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю. Подобные образования представляются вполне возможными. Так была высказана  гипотеза о существовании нейтрона и тяжелого изотопа водорода.[8]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Достижения Резерфорда

 

Как пишет  В.И. Григорьев: «Труды Эрнеста Резерфорда, которого нередко справедливо называют одним из титанов физики нашего века, работы нескольких поколений его  учеников оказали огромное влияние  не только на науку и технику нашего века, но и на жизнь миллионов  людей. Он был оптимистом, верил в  людей и в науку, которой посвятил всю жизнь».

В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов  в химии радиоактивных веществ». В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук К.Б. Хассельберг указал на связь  между работой, проведенной Резерфордом, и работами Томсона, Анри Беккереля, Пьера и Марии Кюри. «Открытия  привели к потрясающему выводу: химический элемент… способен превращаться в  другие элементы», - сказал Хассельберг. В своей нобелевской лекции Резерфорд  отметил: «Есть все основания  полагать, что альфа-частицы, которые  так свободно выбрасываются из большинства  радиоактивных веществ, идентичны  по массе и составу и должны состоять из ядер атомов гелия. Мы, следовательно, не можем не прийти к заключению, что атомы основных радиоактивных  элементов, таких как уран и торий, должны строиться, по крайней мере частично, из атомов гелия».[9]