Текст книги "100 великих научных открытий"

Автор книги: Дмитрий Самин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 46 страниц)

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Еще в древности было отмечено, что агрегатное состояние вещества зависит от внешних условий. Самый яркий и наглядный пример – превращение воды в лед и пар. Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 году голландским физиком М. ван Марумом. Майкл Фарадей, начиная с 1823 года, перевел в жидкое состояние сразу несколько газов: хлор, сернистый и углекислый газы.

Процесс не был сложным, ведь промежуточные газы сжижаются при довольно высокой температуре. Другое дело истинные газы. Прошло более пятидесяти лет, пока удалось перевести их в жидкое состояние. В 1877 году Р. Пикте и Л. Кальете получили жидкий кислород и жидкий азот. В промышленных масштабах сжижение воздуха осуществил немецкий инженер К. Линде только в 1895 году.

Теперь, казалось, по уже отработанной схеме легко удастся перевести в жидкое состояние любой другой газ. Но не тут-то было. Действительно, подавляющее большинство газов при расширении охлаждаются. Однако строптивые водород, неон и гелий ведут себя «нечестно» – при расширении они нагреваются.

Выход был найден к концу девятнадцатого века. Выяснилось, чтобы получить жидкий водород и гелий, нужно лишь предварительно охладить их до сравнительно низкой температуры.

Получить жидкий водород одновременно пытались Ольшевский в Кракове, Камерлинг-Оннес в Голландии и Дьюар в Англии. В этом состязании победил Дьюар: 10 мая 1898 года он получил 20 кубических сантиметров жидкого водорода. Еще через несколько месяцев он сумел получить твердый водород. От абсолютного нуля его отделяло всего 14 градусов.

Блестящий ум, великолепное искусство экспериментатора и отменная эрудиция помогли стать Джемсу Дьюару одним из пионеров криогенной техники. Примечательно, что и сам термин (от греческого «kryos» – холод), и знаменитый «сосуд Дьюара» принадлежат ему.

Но гелий упорно не хотел покоряться. Лишь 9 июля 1908 года пришло известие, что доктор Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) из Лейденского университета осуществил сжижение гелия. Интуиции и мастерству Дьюара он противопоставил систему, способности великолепного организатора. Знаменитую лабораторию Камерлинга-Оннеса в Лейдене, директором которой он стал в 29 лет, называют первой моделью научно-исследовательского института XX века.

«В конце опыта Камерлинг-Оннес предпринял попытку получить твердый гелий, – пишет Р.Бахтамов. – Это ему не удалось. Не удавалось и потом, когда он дошел до температуры 1,38, а затем и 1,04 градуса Кельвина. Не понимая причины этого странного явления, он, однако, заставил себя отступить и перешел к следующему пункту намеченной программы – к исследованию свойств металлов при гелиевой температуре.

Оннес измерил электросопротивление золота, платины и взялся за ртуть. И тут начались неожиданности. 28 апреля 1911 года он сообщил Нидерландской королевской академии, что сопротивление ртути достигло столь малой величины, что „приборы его не обнаружили“. 27 мая сообщение было уточнено: сопротивление ртути падает не постепенно, а резко, скачком, и снижается настолько, что можно говорить об „исчезновении сопротивления“.

В статье, опубликованной в марте 1913 года, Оннес впервые употребит термин „сверхпроводимость“. Еще через 11 лет он кое-что начнет понимать в этом странном явлении. Через 50 лет явление будет объяснено, хотя и далеко не полностью. Несколько раз Оннес наблюдал и другое достаточно странное явление – необычно высокую подвижность гелия. Но это уже было настолько неестественно, что Оннес даже не пытался что-то понять.

Он продолжал свою линию, двигаясь все ближе к абсолютному нулю. Пользовался он, в сущности, одним методом: чтобы уменьшить давление паров жидкого гелия, ставил все более мощные насосы. В конце концов, Оннес дошел до 0,83 градуса Кельвина. Казалось, это предел. Однако в апреле 1926 года – через два месяца после смерти Камерлинг-Оннеса – американский профессор Латимер, развив идею канадца Уильяма Джиока, предложил новый способ охлаждения – магнитный. В 1956 году Френсис Симон из Оксфорда получил температуру 0,00001 градуса Кельвина, лишь на одну стотысячную градуса выше абсолютного нуля».

Удивительно, но лишь спустя тридцать лет с момента сжижения гелия было открыто наиболее экзотическое его свойство – сверхтекучесть, хотя проводились тысячи экспериментов. Но однажды группа канадских ученых все-таки осмелилась привести описание, решительно отказавшись от выводов. «Правильное заключение относительно нового явления, – отметили они, – нетрудно сделать даже студенту первого курса. Но лишь зрелые и опытные физики взяли бы на себя смелость вполне серьезно предположить, что теплопроводность жидкости внезапно увеличивается в миллионы раз».

В начале 1938 года журнал «Nature» опубликовал две статьи. Одна из них принадлежала советскому ученому П.Л. Капице, а другая Аллену и Мизенару из Кембриджского университета. Их результаты и выводы совпали: поток жидкого гелия почти совершенно лишен вязкости. Именно Капице принадлежит и ставший общепринятым термин «сверхтекучесть». Поразительно – атомы гелия и свободные электроны металла ведут себя одинаково. Это открытие позволило связать оба явления: сверхпроводимость и сверхтекучесть электронного потока в проводнике.

Сверхпроводимость была открыта в начале века, однако только в 1957 году Бардин, Купер и Шрифер сумели дать удовлетворительное объяснение явлению сверхпроводимости, построив теорию, носящую их имя (теория БКШ).

«Что же происходит в сверхпроводнике? – спрашивает Редже в своей книге. – Полный ответ на этот вопрос длинен и сложен. Обычно два электрона в пустоте отталкиваются, но в металле положительные заряды ядер экранируют отрицательные заряды электронов, и отталкивание может почти полностью исчезнуть. Во многих случаях экранировка оказывается неполной, и тогда сверхпроводимость не наблюдается.

В некоторых случаях решетка сжимается вокруг электрона, создавая, таким образом, облако положительных зарядов, обволакивающее этот электрон и притягивающее другие электроны. Результатом является возникновение незначительного притяжения между электронами. Поскольку это притяжение слабое, оно приводит всего лишь к тому, что электроны передвигаются парами; таким образом, возникает связь, подобная химической, но в тысячи раз слабее. Следовательно, куперовская пара подобна молекуле „двухэлектрона“, а переход в состояние сверхпроводимости можно считать превращением электронного газа в газ, состоящий из таких „молекул“. Аналогичное явление встречается в химии: так, если нагреть двухатомный кислород, он распадается на одиночные атомы, способные вновь объединиться при охлаждении.

Электронный газ, движущийся в металле, конденсируется в жидкость из куперовских пар, которую мы и будем называть „конденсатом“. Радиус такой пары равен примерно 300 ангстрем, что намного больше расстояния между соседними атомами (несколько ангстрем). В море, состоящем из куперовских пар, трудно представить себе рябь или волны, длина которых была бы меньше самих пар. Поэтому неоднородности решетки с размерами не больше десятка ангстрем не представляют собой препятствия для течения конденсата, и потери энергии не происходит. Такова основная причина возникновения сверхпроводимости».

Сейчас еще трудно представить все последствия этого открытия. Эффект сверхпроводимости уже успешно используется в скоростных японских поездах «Маглев». «Созданы и работают сверхпроводящие магнитные системы с уникальными характеристиками, – пишет Р.Бахтамов. – Фирма „Локхид“, например, построила электромагнит, который весит 85 килограммов и дает магнитное поле 15 тысяч эрстед.

Крупнейшие сверхпроводящие магниты с полем 30–40 тысяч эрстед и размером порядка 4 метра уже работают в ряде ускорительных лабораторий Европы и Америки, созданы магниты с полем до 170 тысяч эрстед.

Ведутся работы по созданию крупнейших электрических машин – турбо– и гидрогенераторов со сверхпроводящими системами возбуждения.

Сверхпроводники открывают совершенно новые возможности при создании вычислительных машин. Ток в сверхпроводящих системах – идеальное запоминающее устройство, способное хранить колоссальное количество данных и выдавать их с фантастической скоростью…

Уже получены сплавы, сохраняющие сверхпроводимость при 18–20 градусах Кельвина. Создание вещества, которое обладало бы свойствами при температуре хотя бы в 100 градусов Кельвина, привело бы к революции в электротехнике. Современная наука считает, что задача реальна, а последствия ее решения определят одним словом – фантастические».

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

В первой атомной теории Дальтона предполагалось, что мир состоит из определенного числа атомов – элементарных кирпичиков – с характерными свойствами, вечными и неизменными.

Эти представления решительно изменились после открытия электрона. Все атомы должны содержать электроны. Но как электроны в них расположены? Физики могли лишь философствовать, исходя из своих познаний в области классической физики, и постепенно все точки зрения сошлись на одной модели, предложенной Дж. Дж. Томсоном. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного вещества, внутрь которого вкраплены электроны (возможно, они находятся в интенсивном движении), так что атом напоминает пудинг с изюмом. Томсоновскую модель атома нельзя было непосредственно проверить, но в ее пользу свидетельствовали всевозможные аналогии.

Немецкий физик Филипп Ленард в 1903 году предложил модель «пустого» атома, внутри которого «летают» какие-то никем не обнаруженные нейтральные частицы, составленные из взаимно уравновешенных положительных и отрицательных зарядов. Ленард даже дал название для своих несуществующих частиц – динамиды…

Однако единственной, право на существование которой доказывалось строгими, простыми и красивыми опытами, стала модель Резерфорда.

Эрнест Резерфорд (1871–1937) родился вблизи города Нелсон (Новая Зеландия) в семье переселенца из Шотландии. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нельсон, куда поступил в 1887 году. Через два года Эрнест сдал экзамен в Кентерберийский колледж – филиал Новозеландского университета в Крайчестере. В колледже на Резерфорда оказали большое влияние его учителя: преподававший физику и химию Э. У. Бикертон и математик Дж. Х.Х. Кук. После того как в 1892 году Резерфорду была присуждена степень бакалавра гуманитарных наук, он остался в Кентербери-колледже и продолжил свои занятия благодаря полученной стипендии по математике. На следующий год он стал магистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамены по математике и физике.

В 1894 году в «Известиях философского института Новой Зеландии» появилась его первая печатная работа «Намагничение железа высокочастотными разрядами». В 1895 году оказалась вакантной стипендия для получения научного образования, первый кандидат на эту стипендию отказался по семейным обстоятельствам, вторым кандидатом был Резерфорд. Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Дж. Дж. Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша.

В 1898 году Резерфорд принял место профессора Макгиллского университета в Монреале, где начал серию важных экспериментов, касающихся радиоактивного излучения элемента урана. В Канаде он сделал фундаментальные открытия: им была открыта эманация тория и разгадана природа так называемой «индуцированной радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность».

В своей классической работе Резерфорд и Содди коснулись фундаментального вопроса об энергии радиоактивных превращений. Подсчитывая энергию испускаемых радием к-частиц, они приходят к выводу, что «энергия радиоактивных превращений, по крайней мере, в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения». Резерфорд и Содди. сделали вывод, что «энергия, скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном химическом превращении». Эта огромная энергия, по их мнению, должна учитываться «при объяснении явлений космической физики». В частности, постоянство солнечной энергии можно объяснить тем, «что на Солнце идут процессы субатомного превращения».

Огромный размах научной работы Резерфорда в Монреале – им было опубликовано как лично, так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность», – принес Резерфорду славу первоклассного исследователя. Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период его жизни.

В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».

В следующем году Резерфорд предложил Эрнесту Марсдену выяснить, могут ли альфы-частицы отражаться от золотой фольги. Резерфорд был абсолютно убежден в том, что массивные альфа-частицы должны испытывать лишь незначительные отклонения, проходя сквозь золотую фольгу. Большинство из них действительно проходило сквозь фольгу, лишь слабо отклоняясь. Но некоторые альфа-частицы – примерно одна из 20 000, – как заметил Марсден, – отклонялись на углы больше 90 градусов. Марсден даже боялся рассказать об этом Резерфорду и тщательно удостоверился сначала в том, что в его опытах не было ошибки. Резерфорд почти не поверил в этот результат наблюдений.

Много лет спустя Резерфорд вспоминал: «Это было, пожалуй, самым невероятным событием, которое я когда-либо переживал в моей жизни. Это было столь же неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».

Но в неправдоподобное пришлось поверить, и в 1911 году Резерфорд пришел к убеждению, что результаты опытов по рассеянию альфа-частиц золотой фольгой можно объяснить, только предположив, что альфа-частицы проходят на весьма малом расстоянии от других положительно заряженных частиц с размерами, много меньшими размеров атомов. Атом золота должен состоять из малого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов. Это было рождением идеи об атомном ядре и новой отрасли физики – ядерной физики.

Эта идея была к 1911 году не совсем нова. Ее выдвигали ранее Джонстон Стони, японский физик Нагаока и некоторые другие ученые. Но все эти гипотезы были сугубо умозрительными, тогда как идея Резерфорда основывалась на эксперименте.

Результаты опытов, которые привели Резерфорда к мысли о планетарном строении атома, ученый изложил в большой статье «Рассеяние альфа– и бета-частиц в Веществе и Структура Атома», опубликованной в мае 1911 года в английском «Философском журнале». Физики всего мира могли теперь оценить еще одну, на сей раз убедительно подтвержденную экспериментально, модель строения атома…

Резерфорд был неутомим. И тут же предпринял новое исследование: стал определять количество альфа-частиц, отклоненных фольгой на различные углы в зависимости от электрического заряда ядер атомов того вещества, из которого сделана фольга.

Терпение исследователей было вознаграждено. Анализируя результаты этих опытов, Резерфорд вывел формулу, связывающую число альфа-частиц, отклоненных на определенный угол, с зарядом ядер вещества фольги-мишени. Теперь можно было из опытов по рассеянию альфа-частиц определять природу материала мишени. В руках исследователей появился первый ядерный метод химического анализа!

Ученые сравнили между собой поведение мишеней из различных материалов и установили, что чем больше заряд ядра, тем сильнее отклоняются альфа-частицы от прямолинейного пути. И здесь впервые физические эксперименты приоткрыли завесу тайны над периодическим законом элементов.

Из опытов Резерфорда следовало, что если бы Менделеев расположил элементы в ряд по мере увеличения заряда их ядер, то никаких перестановок делать не потребовалось бы! Физики внесли уточнение в формулировку периодического закона, химические свойства элементов находятся в периодической зависимости не от атомной массы элементов, а от электрического заряда их ядер. Именно в соответствии с величиной заряда ядер элементы выстраиваются в том порядке, в котором расставил их Менделеев, опираясь на свои энциклопедические знания химических свойств элементов…

Что же удерживает электрон от падения на массивное ядро? Конечно, быстрое вращение вокруг него. Но в процессе вращения с ускорением в поле ядра электрон должен часть своей энергии излучать во все стороны и, постепенно тормозясь, все же упасть на ядро. Эта мысль не давала покоя авторам планетарной модели атома. Очередное препятствие на пути новой физической модели, казалось, должно было разрушить всю с таким трудом построенную и доказанную четкими опытами картину атомной структуры…

Резерфорд был уверен, что решение найдется, но он не мог предполагать, что это произойдет так скоро. Дефект планетарной модели атома исправит датский физик Нильс Бор.

Почти в то же время, когда ученые мира получили номер «Философского журнала» со статьей Резерфорда о строении атома, в Копенгагенском университете успешно защитил диссертацию по электронной теории металлов двадцатипятилетний Нильс Бор.

Датский физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885–1962) родился в Копенгагене и был вторым из трех детей Кристиана Бора и Эллен (в девичестве Адлер) Бор. Его отец был известным профессором физиологии в Копенгагенском университете. Он учился в Гаммельхольмской грамматической школе в Копенгагене и окончил ее в 1903 году. Бор и его брат Харальд, который стал известным математиком, в школьные годы были заядлыми футболистами. Позднее Нильс увлекался катанием на лыжах и парусным спортом.

Если в школе Нильса Бора в общем считали учеником обыкновенных способностей, то в Копенгагенском университете его талант очень скоро заставил о себе заговорить. Нильса признавали необычайно способным исследователем. Его дипломный проект, в котором он определял поверхностное натяжение воды по вибрации водяной струи, принес ему золотую медаль Датской королевской академии наук. В 1907 году он стал бакалавром. Степень магистра он получил в Копенгагенском университете в 1909 году. Его докторская диссертация по теории электронов в металлах считалась мастерским теоретическим исследованием.

В 1911 году Бор решил поехать в Кембридж, чтобы несколько месяцев поработать в лаборатории Дж. Дж. Томсона, первооткрывателя электрона. Мать Нильса и его брат Харальд одобрили эту идею. Не очень рада была, быть может, его невеста Маргарет, но и она согласилась.

Бор тогда мучительно размышлял над моделью Резерфорда и искал убедительные объяснения тому, что с очевидностью происходит в природе вопреки всем сомнениям: электроны, не падая на ядро и не улетая от него, постоянно вращаются вокруг своего ядра. Вот что пишут в книге «Биография атома» К. Манолов и В. Тютюнник:

«Если у водорода только один электрон, каким образом можно объяснить тот факт, что он излучает несколько различных по длине волны световых лучей?» – думал Бор. Он вновь возвратился к теории Никольсона. Блестящее согласие между вычисленными и наблюдаемыми значениями отношений длин волн спектров является сильным аргументом в пользу этой теории. Однако Никольсон отождествляет частоту излучения с частотой колебаний механической системы. Но системы, в которых частота является функцией энергии, не могут испускать конечного количества однородного излучения, так как при излучении частота их будет меняться. Кроме того, системы, рассчитанные Николь-соном, будут неустойчивы при некоторых формах колебаний. И, наконец, теория Никольсона не может объяснить сериальные законы Баль-мера и Ридберга.

– Хансен, мне кажется, ответ есть! – сказал Бор. – С помощью выведенного мною условия устойчивости орбиты электрона в атоме можно рассчитать скорость движения электрона по орбите, ее радиус и полную энергию электрона на любой орбите. Причем все формулы содержат один и тот же множитель, так называемое квантовое число, которое принимает те же целочисленные значения 1, 2, 3, 4 и т. д. Каждому из этих чисел соответствует определенный радиус орбиты… – Бор немного помолчал и продолжал. – Ну конечно же, теперь все ясно. Атом может существовать, не излучая энергии, только в определенных стационарных состояниях, каждое из которых характеризуется своим значением энергии. Если электрон переходит с одной орбиты на другую, атом либо испускает, либо поглощает энергию в виде особых порций – квантов!..

– Так вот в чем секрет! – воскликнул Хансен. – Значит, спектр атома отражает его строение!

– Теперь все становится на свои места. Ясно, почему атом водорода испускает несколько видов лучей. Если пронумеруем орбиты, начиная с самой близкой к ядру, то можно сказать, что электрон перескакивает с четвертой на первую, с третьей на первую, с третьей на вторую орбиту и т. д. Каждый перескок сопровождается излучением света соответствующей длины волны. Очень надеюсь, что мне удастся найти и количественную зависимость…

В 1913 году Нильс Бор опубликовал результаты длительных размышлений и расчетов, важнейшие из которых стали с тех пор именоваться постулатами Бора: в атоме всегда существует большое число устойчивых и строго определенных орбит, по которым электрон может мчаться бесконечно долго, ибо все силы, действующие на него, оказываются уравновешенными; электрон может переходить в атоме только с одной устойчивой орбиты на другую, столь же устойчивую. Если при таком переходе электрон удаляется от ядра, то необходимо сообщить ему извне некоторое количество энергии, равное разнице в энергетическом запасе электрона на верхней и нижней орбите. Если электрон приближается к ядру, то лишнюю энергию он «сбрасывает» в виде излучения…

Вероятно, постулаты Бора заняли бы скромное место среди ряда интересных объяснений новых физических фактов, добытых Резерфордом, если бы не одно немаловажное обстоятельство. Бор с помощью найденных им соотношений сумел рассчитать радиусы «разрешенных» орбит для электрона в атоме водорода. Зная разницу между энергиями электрона на этих орбитах, можно было построить кривую, описывающую спектр излучения водорода в различных возбужденных состояниях и определить, волны какой длины должен особенно охотно испускать атом водорода, если подводить к нему извне избыточную энергию, например, с помощью яркого света ртутной лампы. Эта теоретическая кривая полностью совпала со спектром излучения возбужденных атомов водорода, измеренным швейцарским ученым Я. Бальмером еще в 1885 году!

Планетарная модель атома получила могучее подкрепление, у Резерфорда и Бора появлялось все больше и больше сторонников.