Текст книги "100 великих научных открытий"

Автор книги: Дмитрий Самин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 46 страниц)

ЭЛЕКТРОН

Ясные и четкие идеи об атомном строении электричества появились у В. Вебера, которые он развивал их в ряде работ, начиная с 1862 года: «При всеобщем распространении электричества можно принять, что с каждым весомым атомом связан электрический атом». Он развивает в связи с этим воззрения на проводимость тока в металлах, которые отличаются от электронных только тем, что он считает подвижными атомы положительного электричества. Им была высказана и мысль о молекулярном истолковании тепла Джоуля—Ленца:

«Живая сила всех содержащихся в проводнике молекулярных токов увеличивается при прохождении тока пропорционально сопротивлению и пропорционально квадрату силы тока».

Эти и подобные им высказывания Вебера дали повод А.И. Ба-чинскому назвать Вебера одним из творцов электронной теории, а О.Д. Хвольсону поместить его имя в начальном параграфе главы об электронной теории проводимости металлов. Но надо заметить, что Вебер еще не связывает своего «электрического атома» с конкретными фактами электролиза. Эта связь впервые была установлена Максвеллом в первом томе его «Трактата». Но Максвелл не стал развивать этой важной идеи. Наоборот, он утверждал, что идея молекулярного заряда не удержится в науке.

В 1874 году ирландский физик Стоней на заседании Британской ассоциации обратил внимание на существование в природе трех «естественных единиц»: скорости света, постоянной тяготения и заряда «электрического атома». По поводу этой последней единицы он сказал:

«Наконец природа одарила нас в явлениях электролиза вполне определенным количеством электричества, не зависимым от тел, с которыми оно связано». Стоней дал оценку этого заряда, разделив количество электричества, выделяемое при разложении кубического сантиметра водорода, на число его атомов по тогдашним данным, и получил значение порядка 10 в минус двадцатой степени электромагнитных единиц. Этот электрический атом Стоней предложил назвать «электроном».

5 апреля 1881 года Гельмгольц в своей известной речи заявил: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».

В 1869 году Гитторф, получив в разрядной трубке вакуум со степенью разрежения ниже одного миллиметра, заметил, что темное катодное пространство быстро распространяется по всей трубке, вследствие чего стенки трубки начинают сильно флюоресцировать. Он подметил, что свечения трубки смещаются под действием магнита.

Через десять лет после наблюдений Гитторфа появились работы В. Крукса. По предположениям Крукса, частичка лучистой материи выбрасывается из электродов с огромной скоростью. Темное катодное пространство – это пространство, в котором свободно движутся отрицательные молекулы газа, летящие от катода и задерживаемые на его границе встречными положительными молекулами. Однако немецкие физики не приняли точку зрения Крукса. Э. Гольдштейн в 1880 году показал, что отождествление размеров темного катодного пространства с длиной свободного пробега неправильно. Он показал, что катодные лучи вовсе не заканчиваются на границе темного слоя, они при больших разрежениях пронизывают и светящееся пространство анода.

Австрийский ученый В.Ф. Гинтль в том же году высказал гипотезу, что катодные лучи представляют собой поток металлических частиц, вырываемых из катода электрическим током, которые движутся прямолинейно. Эту точку зрения поддержал и развил далее Пулуа. В том же 1880 году Э. Видеман отождествил катодные лучи с эфирными колебаниями столь короткой длины волны. По его мнению, они не производят светового действия; однако, падая на весомую материю, замедляются и превращаются в видимый свет.

Решающее значение в укреплении эфирной волновой теории катодных лучей сыграли опыты Ленарда. Он убедительно доказал, что катодные лучи могут выйти наружу при сохранении вакуума в трубке, т. е. эти лучи не могут быть частичками газа, как предполагал Крукс. Но этого мало. Катодные лучи в воздухе производят люминисцирую-щее и фотографическое действие. Ленарду удалось получить в выпущенном им потоке фотографию предмета, закрытого герметически алюминиевой коробочкой с тонкими стенками. Наблюдая отклонение выпущенного пучка магнитом, он установил, что это отклонение не зависит от рода газа, а главное, что остается часть лучей, не отклоненных магнитом.

Ленард был первым физиком, наблюдавшим действие рентгеновских лучей и даже получившим первую рентгенограмму. Но он не сумел понять в должной мере своего открытия и характеризовал его как доказательство волновой природы катодных лучей. Его эксперимент таил в себе большие возможности, которые ученый не использовал.

Теория Видемана – Герца – Ленарда была сильно поколеблена в 1895 году опытом Перрена (1870–1942), который попытался обнаружить заряд катодных лучей. С этой целью он в разрядной трубке поместил против катода фарадеевский цилиндр, соединенный с электрометром. При прохождении разряда цилиндр зарядился отрицательно. Отсюда Перрен сделал вывод, что «перенос отрицательных зарядов неотделим от катодных лучей».

Перрен с несомненностью установил перенос заряда катодными лучами и полагал, что этот факт трудно совместить с теорией вибраций, тогда как с теорией истечения он согласуется очень хорошо. Поэтому он полагал, что «если теория истечения может опровергнуть все возражения, которые она вызвала, она должна быть признана действительно пригодной».

Однако для того чтобы опровергнуть все возражения, необходимо было коренным образом изменить взгляды на строение материи и допустить в природе существование частиц меньших атомов.

В историю науки английский физик Джозеф Томсон (1856–1940) вошел как человек, открывший электрон. Однажды он сказал: «Открытия обязаны остроте и силе наблюдательности, интуиции, непоколебимому энтузиазму до окончательного разрешения всех противоречий, сопутствующих пионерской работе».

Джозеф Джон Томсон родился в Манчестере. Здесь, в Манчестере, он окончил Оуэнс-колледж, а в 1876–1880 годах учился в Кембриджском университете в знаменитом колледже святой Троицы (Тринити-колледж). В январе 1880 года Томсон успешно выдержал выпускные экзамены и начал работать в Кавендишской лаборатории.

Первая его статья, опубликованная в 1880 году, была посвящена электромагнитной теории света. В следующем году появились две работы, из которых одна положила начало электромагнитной теории массы.

Томсон был одержим экспериментальной физикой. Одержим в лучшем смысле этого слова. Научные успехи Томсона были высоко оценены директором лаборатории Кавендиша Рэлеем. Уходя в 1884 году с поста директора, он, не колеблясь, рекомендовал своим преемником Томсона.

С 1884 по 1919 год Томсон руководил лабораторией Кавендиша. За это время она превратилась в крупный центр мировой физики, в международную школу физиков. Здесь начали свой научный путь Резерфорд, Бор, Ланжевен и многие другие, в том числе и русские, ученые.

Программа исследований Томсона была широкой: вопросы прохождения электрического тока через газы, электронная теория металлов, исследование природы различного рода лучей…

Взявшись за исследование катодных лучей, Томсон прежде всего решил проверить, достаточно ли тщательно были поставлены опыты его предшественниками, добившимися отклонения лучей электрическими полями. Он задумывает повторный эксперимент, конструирует для него специальную аппаратуру, следит сам за тщательностью исполнения заказа, и ожидаемый результат налицо.

В трубке, сконструированной Томсоном, катодные лучи послушно притягивались к положительно заряженной пластинке и явно отталкивались от отрицательной. То есть вели себя так, как и полагалось потоку быстролетящих крошечных корпускул, заряженных отрицательным электричеством. Превосходный результат! Он мог, безусловно, положить конец всем спорам о природе катодных лучей. Но Томсон не считал свое исследование законченным. Определив природу лучей качественно, он хотел дать точное количественное определение и составляющим их корпускулам.

Окрыленный первым успехом, он сконструировал новую трубку: катод, ускоряющие электроды в виде колечек и пластинки, на которые можно было подавать отклоняющее напряжение. На стенку, противоположную катоду, он нанес тонкий слой вещества, способного светиться под ударами налетающих частиц. Получился предок электроннолучевых трубок, так хорошо знакомых нам в век телевизоров и радиолокаторов.

Цель опыта Томсона заключалась в том, чтобы отклонить пучок корпускул электрическим полем и компенсировать это отклонение полем магнитным. Выводы, к которым он пришел в результате эксперимента, были поразительны.

Во-первых, оказалось, что частицы летят в трубке с огромными скоростями, близкими к световым. А во-вторых, электрический заряд, приходившийся на единицу массы корпускул, был фантастически большим. Что же это были за частицы: неизвестные атомы, несущие на себе огромные электрические заряды, или крохотные частицы с ничтожной массой, но зато и с меньшим зарядом?

Далее он обнаружил, что отношение удельного заряда к единице массы есть величина постоянная, не зависящая ни от скорости частиц, ни от материала катода, ни от природы газа, в котором происходит разряд. Такая независимость настораживала. Похоже, что корпускулы были какими-то универсальными частицами вещества, составными частями атомов.

«После длительного обсуждения экспериментов – пишет в своих воспоминаниях Томпсон, – оказалось, что мне не избежать следующих заключений:

1. Что атомы не неделимы, так как из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света или тепла.

2. Что эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрицательного электричества, от какого бы рода атомов они ни происходили, и являются компонентами всех атомов.

3. Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная массы атома водорода. Я вначале назвал эти частицы корпускулами, но они теперь называются более подходящим именем „электрон“».

Томсон принялся за расчеты. Прежде всего, следовало определить параметры таинственных корпускул, и тогда, может быть, удастся решить, что они собой представляют. Результаты расчетов показали: сомнений нет, неизвестные частицы не что иное, как мельчайшие электрические заряды – неделимые атомы электричества, или электроны.

29 апреля 1897 года в помещении, где уже более двухсот лет происходили заседания Лондонского королевского общества, состоялся его доклад. Слушатели были в восторге. Восторг присутствующих объяснялся вовсе не тем, что коллега Дж. Дж. Томсон столь убедительно раскрыл истинную природу катодных лучей. Дело обстояло гораздо серьезнее. Атомы, наипервейшие кирпичики материи, перестали быть элементарными круглыми зернами, непроницаемыми и неделимыми, частицами без всякого внутреннего строения… Если из них могли вылетать отрицательно заряженные корпускулы, значит, и представлять собой атомы должны были какую-то сложную систему, систему, состоящую из чего-то заряженного положительным электричеством и из отрицательно заряженных корпускул – электронов.

Теперь стали видны и дальнейшие, самые необходимые направления будущих поисков. Прежде всего, конечно, необходимо было определить точно заряд и массу одного электрона. Это позволило бы уточнить массы атомов всех элементов, рассчитать массы молекул, дать рекомендации к правильному составлению реакций.

В 1903 году в той же Кавендишской лаборатории у Томсона Г. Вильсон внес важное изменение в метод Томсона. В сосуде, в котором производится быстрое адиабатическое расширение ионизируемого воздуха, помещены пластинки конденсатора, между которыми можно создавать электрическое поле и наблюдать падение облака, как при наличии поля, так и в его отсутствии. Измерения Вильсона дали значение для заряда электрона как 3,1 умноженную на 10 в минус десятой степени абс. эл. ед.

Метод Вильсона был использован многими исследователями, в том числе и студентами Петербургского университета Маликовым и Алексеевым, которые нашли заряд равным 4,5 умноженную на 10 в минус десятой степени абс. эл. ед.

Это был наиболее приближающийся к истинному значению результат из всех полученных до того, как Милликен начал с 1909 года измерения с отдельными каплями.

Так был открыт и измерен электрон – универсальная частица атомов, первая из открытых физиками так называемых «элементарных частиц».

Это открытие дало возможность физикам, прежде всего, по-новому поставить вопрос об изучении электрических, магнитных и оптических свойств вещества.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Открытие Рентгена замечательно не только появившейся возможностью понять строение вещества и многочисленными практическими применениями. Это открытие взбудоражило мысль ученых, уже было решивших, что здание физики построено и в природе больше нет ничего не известного человеку.

Взволнован был сообщением об обнаружении рентгеновских лучей и член Французской Академии Беккерель. Анри Беккерель (1852–1908) сначала работал дорожным инженером, но вскоре увлекся, подобно своему отцу и деду, научными исследованиями. В 35 лет Анри Беккерель защищает докторскую диссертацию, в 40 лет становится профессором. Он изучает явление флуоресценции. Ему очень хочется разгадать природу таинственного свечения некоторых веществ под влиянием солнечного излучения. Беккерель собирает огромную коллекцию светящихся химических веществ и природных минералов.

В своем докладе на конгрессе Беккерель указывал, что ему казалось очень маловероятным, чтобы рентгеновские лучи могли существовать в природе только в тех сложных условиях, в каких они получаются в опытах Рентгена.

Беккерель, близко знакомый с исследованиями своего отца по люминесценции, обратил внимание на тот факт, что катодные лучи в опытах Рентгена производили при ударе одновременно и люминесценцию стекла и невидимые Х-лучи. Это привело его к идее, что всякая люминесценция сопровождается одновременно испусканием рентгеновских лучей.

Эту идею впервые высказал А. Пуанкаре. В своей докторской диссертации М. Кюри-Склодовская пишет по этому поводу «Первые рентгеновые трубки не имели металлического антикатода: источником рентгеновских лучей служила подвергнутая действию катодных лучей стеклянная стенка; при этом она сильно флуоресцировала. Можно было задаться вопросом, не является ли испускание рентгеновских лучей непременным спутником флоуресценции, независимо от причины последней».

Несколько дней Беккерель обдумывает намеченный им эксперимент, затем выбирает из своей коллекции двойную сернокислую соль урана и калия, спрессованную в небольшую лепешку, кладет соль на фото-пластинку, спрятанную от света в черную бумагу, и выставляет пластинку с солью на солнце. Под влиянием солнечных лучей двойная соль стала ярко светиться, но на защищенную фотопластинку это свечение не могло попасть. Беккерель едва дождался момента, когда фотопластинку можно было достать из проявителя. На пластинке явственно проступало изображение лепешки из соли. Неужели все верно, и соль в ответ на облучение солнечными лучами испускает не только свет, но и рентгеновские лучи?

Беккерель проверяет себя еще и еще раз. 26 февраля 1896 года настали пасмурные дни, и Беккерель с сожалением прячет приготовленную к эксперименту фотопластинку с солью в стол. Между лепешкой соли и фотопластинкой на этот раз он положил маленький медный крестик, чтобы проверить, пройдут ли сквозь него рентгеновские лучи.

Вероятно, немногие открытия в науке обязаны своим происхождением плохой погоде. Если бы конец февраля 1896 года в Париже был солнечный, не было бы обнаружено одно из самых важных научных явлений, разгадка которого привела к перевороту в современной физике.

1 марта 1896 года Беккерель, так и не дождавшись появления солнца на небе, вынул из ящика ту самую фотопластинку, на которой несколько дней пролежали крестик и соль, и на всякий случай проявил ее. Каково же было его удивление, когда он увидел на проявленной фотопластинке четкое изображение и крестика, и лепешки с солью! Значит, солнце и флуоресценция здесь ни при чем?

Как первоклассный исследователь, Беккерель не поколебался подвергнуть серьезному испытанию свою теорию и начал исследовать действие солей урана на пластинку в темноте. Так обнаружилось, и это Беккерель доказал последовательными опытами, что уран и его соединение непрерывно излучают без ослабления лучи, действующие на фотографическую пластинку и, как показал Беккерель, способные также разряжать электроскоп, т. е. создавать ионизацию. Открытие это вызвало сенсацию.

Особенно поражала способность урана излучать спонтанно, без всякого внешнего воздействия. Рамзай рассказывает, что когда осенью 1896 году он вместе с лордом Кельвином (В. Томсоном) и Д. Стоксом посетил лабораторию Беккереля, то «эти знаменитые физики недоумевали, откуда мог бы взяться неисчерпаемый запас энергии в солях урана. Лорд Кельвин склонялся к предположению, что уран служит своего рода западней, которая улавливает ничем другим не обнаруживаемую лучистую энергию, доходящую до нас через пространство, и превращает ее в такую форму, в виде которой она делается способной производить химические действия».

Первое в мире сообщение о существовании радиоактивности было сделано Анри Беккерелем на заседании Парижской академии наук 24 февраля 1896 года Открытие явления радиоактивности Беккерелем можно отнести к числу наиболее выдающихся открытий современной науки. Именно благодаря ему человек смог значительно углубить свои познания в области структуры и свойств материи, понять закономерности многих процессов во Вселенной, решить проблему овладения ядерной энергией. Учение о радиоактивности оказало колоссальное влияние на развитие науки, причем за сравнительно небольшой промежуток времени.

Изучая свойства новых лучей, Беккерель попытался объяснить их природу. Однако он не мог прийти к четким выводам и долгое время придерживался ошибочной точки зрения, согласно которой радиоактивность, возможно, является формой длительной фосфоресценции.

Вскоре в исследование нового явления включились другие ученые, и, прежде всего, супруги Пьер и Мария Кюри.

Молодая польская исследовательница Мария Склодовская (1867–1934), проявив выдающиеся способности и огромное трудолюбие, в 1894 году получает два диплома лиценциата – по физике и математике – в знаменитой Сорбонне, Парижском университете. Поначалу она берет тему для исследования у профессора Г. Липпмана, и начинает изучать магнитные свойства закаленной стали. Разработка темы приводит ее в Парижскую школу индустриальной физики и химии. Там она знакомится с Пьером Кюри (1859–1906) и продолжает эксперименты в его лаборатории. В июле 1895 года Пьер и Мария стали супругами. После рождения дочери в сентябре 1897 года Мария Склодовская-Кюри решает приступить к работе над докторской диссертацией. Важно было четко сформулировать задачу исследования. В это время она и узнает об открытии Беккереля.

Мария Кюри начала свои исследования с терпеливого изучения большого числа химических элементов: не являются ли некоторые из них, подобно урану, источниками «лучей Беккереля»?

Исследование радиоактивности урановых соединений привело ее к выводу, что радиоактивность является свойством, принадлежащим атомам урана, независимо от того, входят ли они в химическое соединение или нет. При этом она «измеряла напряженность урановых лучей, пользуясь их свойством сообщать воздуху электропроводность». Этим ионизационным методом она и убедилась в атомной природе явления.

«Тогда я занялась изысканиями, не существует ли других элементов, обладающих тем же свойством, и с этой целью изучила все известные в то время элементы, как в чистом виде, так и в соединениях. Я нашла, что среди этих лучей только соединения тория испускают лучи, подобные лучам урана».

Опыты Марии Склодовской-Кюри по изучению руд показали, что некоторые урановые и ториевые руды обладают «аномальной» радиоактивностью: их радиоактивность оказалась гораздо сильнее того, что можно было ожидать от урана и тория. «Тогда я выдвинула гипотезу, – писала Мария Склодовская-Кюри, – что минералы с ураном и торием содержат небольшое количество вещества, гораздо более радиоактивного, чем уран и торий; это вещество не могло принадлежать к известным элементам, потому все они уже были исследованы; это должен был быть новый химический элемент».

Понимая важность проверки этой гипотезы, Пьер Кюри оставил свои исследования кристаллов и присоединился к работе, задуманной Марией. Для своих опытов они выбрали урановую смолку, добывавшуюся в городе Сент-Иоахимстале в Богемии.

Несмотря на трудности, исследования продвигались успешно. Хотя зарплаты Пьера Кюри с трудом хватало для покрытия разнообразных расходов, они все же решили взять помощника для проведения химических исследований. Им стал молодой Жак Бемон. Главные усилия ученых были направлены на выделение радия из отходов урановой смолки, так как было показано, что его легче отделить. Четыре года ушло на эту трудную работу, проводившуюся в неблагоприятных условиях и потребовавшую массы труда и сил. В результате Марии и Пьеру удалось получить из 8 тонн отходов иоахимстальской урановой смолки первый в мире дециграмм радия, оценившийся тогда в 75 800 золотых франков (15 600 долларов).

Напряженный труд принес щедрые результаты. 18 июля 1898 года Пьер и Мария Кюри на заседании Парижской Академии наук выступили с сообщением «О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке». Ученые заявили: «Вещество, которое мы извлекли из смоляной обманки, содержит металл, еще не описанный и являющийся соседом висмута по своим аналитическим свойствам. Если существование нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием, по имени родины одного из нас».

В этой работе впервые изучаемое явление названо радиоактивностью, а лучи – радиоактивными. Активность нового элемента – полония – оказалась в 400 раз выше активности урана.

В результате химического анализа из урановой смолки удалось также выделить элемент барий, который обладал относительно сильной радиоактивностью. При выделении хлорида бария из водного раствора в кристаллическом виде радиоактивность переходила из маточного раствора в кристаллы. Спектральный анализ этих кристаллов показал наличие новой линии, «которая, по-видимому, не принадлежит ни одному из известных элементов».

26 декабря 1898 года появляется следующая статья супругов Кюри и Ж. Бемона– «Об одном новом, сильно радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной руде» Авторы сообщили, что им удалось выделить из урановых отходов вещество, содержащее некоторый новый элемент, сообщающий ему свойство радиоактивности и очень близкий по своим химическим свойствам к барию. Новый элемент они предложили назвать радием. Активность выделенного хлорида радия в 900 раз превышала активность урана.

Открытием полония и радия начинается новый этап в истории радиоактивности. В конце января 1899 года Склодовская-Кюри высказала предположение о сущности радиоактивного излучения, о его материальном характере. Она полагала, что радиоактивность может оказаться свойством, присущим лишь тяжелым элементам.

В том же году А. Дебьерн, проверяя гипотезу Марии Кюри о наличии в урановой смолке других радиоактивных элементов кроме радия и полония, сделал очередное открытие: из смолки можно выделить высокорадиоактивное вещество, отделяющееся при фракционировании с редкоземельными элементами и титаном. Химические свойства нового вещества отличались от свойств радия и полония, а его активность в 100 000 раз превышала активность урана. В 1900 году А. Дебьерн сообщил о выделении этого нового радиоактивного элемента, названного актинием. Таким образом, к началу XX века было известно пять радиоактивных веществ: уран, торий, полоний, радий, актиний.

Мария и Пьер Кюри не были единственными учеными, изучавшими явление радиоактивности. Анри Беккерель продолжал исследования урана в Париже. Г. Шмидт в Германии одновременно с Кюри обнаружил радиоактивность тория. В 1899 году немецкие ученые С. Мейер, Э. Швейдлер и независимо от них Ф. Гизель продемонстрировали отклонение «лучей Беккереля» в магнитном поле. В Германии же Ю. Эльстер и Г. Гейтель в 1899 году сообщили о первом наблюдаемом случае химической неотделимости радиоэлементов и подтвердили атомарный характер радиоактивности. В Англии новое явление стало центром внимания в лабораториях У. Крукса и У. Рамзая. Изучали радиоактивность и в других научных центрах Европы.

В 1906 году Пьер Кюри погиб в результате несчастного случая. Мария Кюри, оправившись от этого потрясения, продолжала работать над изучением явления радиоактивности, которая скоро стала одной из важнейших областей современной науки и привлекла внимание многих талантливых исследователей.