К 100-летию открытия атомного ядра

Борис Львович Иоффе

Молодые годы Резерфорда

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в поселке Спринг Гроу, теперь Брайтуотер, расположенном вблизи города Нельсон на севере Южного острова Новой Зеландии. Его отец - Джеймс Резерфорд молодым человеком иммигрировал в Новую Зеландию из Шотландии в середине XIX века. Он, по его словам, хотел стать фермером. Мать Эрнеста Резерфорда Марта Томсон приехала из Англии и была школьной учительницей, а после выхода замуж полностью отдала себя воспитанию детей. В семье их было двенадцать, Эрнест - четвертый.

Эрнест учился в муниципальной школе до 1886 года. В том году он выиграл конкурс для поступления в частный колледж в Нельсоне. В колледже он хорошо успевал по всем предметам, но особые успехи показывал в математике и естественно-научных дисциплинах. Сейчас в Брайтуотере сооружен мемориал в память Э.Резерфорда, и в центре его стоит скульптура, изображающая юношу Резерфорда того времени, когда он учился в колледже.

Автор, рядом со скульптурой юного Э.Резерфорда.

Нельсон сегодня - небольшой портовый город (но с аэропортом!), очень живописный, с множеством садов и мемориальным парком, посвященным новозеландцам, погибшим в обеих мировых войнах. Я думаю, что во времена Резерфорда Нельсон был не менее приятным местом.

Одна из улиц в центре Нельсона.

В 1890 году Резерфорд поступает в Кэнтербери Колледж в Кристчерче - одно из отделений Университета Новой Зеландии. Ему повезло: в Кэнтербери Колледж были отличные профессора, которые смогли зажечь в юноше восхищение научными исследованиями и дать ему понимание того, что такие исследования требуют много труда. После трех лет обучения он получил звание бакалавра искусств с отличными оценками по физике и математике и право продолжать обучение в течение еще одного года, после чего ему было присвоено звание магистра. Далее Резерфорд продолжал исследования по физике уже самостоятельно. Он изучал влияние высокочастотного газового разряда на намагничивание железа. За эти работы ему было присвоено звание бакалавра наук.

Сейчас 13,5 процента населения Новой Зеландии - это маори. Их процентная доля от всего населения выросла за последние десятилетия. Маори уравнены в правах с белым населением. В Новой Зеландии два официальных языка - английский и маори. В стране нет никаких национальных проблем. Налицо колоссальный прогресс: за 150-200 лет - от людоедства (у маори) к мультикультурному, интеллектуальному и малоконфликтному обществу. По-видимому, начало этому процессу было положено в те годы, когда Резерфорд учился в университете.

В 1895 году Резерфорд выиграл конкурс на стипендии, основанные Фондом Всемирной выставки 1851 года в Лондоне. В качестве места своей работы он выбрал Кэвендишскую лабораторию Кембриджского университета, которую возглавлял тогда Дж. Дж. Томсон, признанный крупнейший специалист по электромагнитному излучению. В Кэвендишской лаборатории Резерфорд экспериментально доказал, что радиация (незадолго до того открытая Беккерелем) бывает двух типов, которые он назвал альфа и бета - ныне хорошо известные и -излучения. В течение ряда лет ученый работал в Мак-Гилл университете в Монреале (Канада) и в Манчестерском университете, затем вернулся в Кэвендишскую лабораторию в Кембридже.

Работая в Мак-Гилл Университете, Резерфорд совместно с Содди установил законы радиоактивных распадов, обнаружил три цепочки распадов, начинающихся с урана, тория и актиния, и ввел понятие периода полураспада. За эти работы в 1908 году он получил Нобелевскую премию по химии. В Манчестере в 1911 году Резерфорд (при участии своего аспиранта Марсдена) сделал величайшее открытие: изучая рассеяние -частиц в веществе, он пришел к выводу, что атом неоднороден: он состоит из положительно заряженного атомного ядра, занимающего малую долю атома, и двигающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов, которые определяют размер атома. Это было фундаментальным открытием: из него следовало, что классическая физика неприменима к описанию явлений, происходящих на атомных расстояниях, и, в частности, к описанию структуры атомов. (В понимании этого вывода значительную роль сыграл Нильс Бор.) Первые указания на противоречия в классической теории были получены ранее - в 1900 году - при теоретическом изучении черного излучения - электромагнитного излучения, находящегося в тепловом равновесии. Для разрешения этого противоречия М. Планк предположил существование минимального кванта излучения. Это явление, хотя и указывало на недостаточность классической теории, но было косвенным: на основании его было трудно понять, где и в чем эта теория неверна. Опыты Резерфорда четко указали - в атомных явлениях. Конечно, отсюда и до создания квантовой механики был еще долгий путь, который продолжался 15 лет. Но начало этому пути было положено опытами Резерфорда.

Что нам дало открытие атомного ядра? В настоящее время квантовая механика пронизывает все области физики, химии, биологии и вообще цивилизацию XXI века. Без квантовой механики невозможно понимание структуры атомов и атомных ядер, а это значит, принципов работы атомных реакторов и атомных электростанций. Квантовая механика объясняет явления сверхпроводимости и сверхтекучести, которые широко применяются в науке и технике. Создание лазеров, которые интенсивно используются в технике и медицине, было бы невозможно без знания квантовой механики. Понимание структуры вещества, создание новых материалов невозможно без использования квантовой механики. В химии квантовая механика необходима для описания химических реакций и открытия их новых типов. Еще большую роль должна сыграть квантовая механика в биологии и генетике - здесь пока сделано не так много, но поле деятельности необъятно. Наконец, квантовая механика открывает возможность создания квантового компьютера - а он несомненно будет создан, что многократно увеличит информационные возможности человечества.

Борис Лазаревич Иоффе (род. 6 июля 1926 года) - российский физик-теоретик. Окончил физический факультет МГУ в 1949 году. Доктор физико-математических наук (1960), член-корреспондент АН СССР (1990) и РАН (с 1991 года), участник советского атомного проекта. Автор научных работ в области физики элементарных частиц, физики высоких энергий, ядерной физики, теории ядерных реакторов. Принимал участие в Симпозиуме, посвященном 100-летию открытия атомного ядра Эрнестом Резерфордом, проходившем в ОИЯИ.