Текст книги "Курс истории физики"

Автор книги: Кудрявцев Степанович

сообщить о нарушении

Текущая страница: 36 (всего у книги 48 страниц)

Гипотеза квантов захватывала все новые и новые области, став «царицей» современной физики.

Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона, радия, кванта действия определило характер развития физики XX в. Начиналась научная революция.

Глава четвёртая. Первый этап революции в физике

Открытие радиоактивных преврещений. Идея атомной энергии

Открытия конца XIX в. и первого пятилетия XX в. привели к революции в физическом миропонимании. Рухнуло представление о неизменных атомах, о массе как неизменном количестве вещества, о законах Ньютона как незыблемых устоях физической картины мира, об абсолютных пространстве и времени, в непрерывных процессах была обнаружена дискретность, прерывность.

Представление о неизменных, неразрушимых атомах, существовавшее в физике и философии со времен Демокрита, было разрушено открытием радиоактивности. Уже в самом начале исследований радиоактивности Мария Склодовская-Кюри писала: «Радиоактивность урановых и ториевых соединений представляется атомнымт, свойствами... Я исследовала с этой точки зрения урановые и ториевые соединения и произвела множество измерений их активности при различных условиях. Из совокупности этих измерений выходит, что радиоактивность этих соединений действительно есть атомное свойство. Она представляется здесь связанной с наличностью атомов обоих рассматриваемых элементов и не уничтожается ни переменой физического состояния, ни химическими преобразованиями».

Таким образом, оказалось, что атомы урана, тория и позднее открытых полония и радия не являются мертвыми кирпичиками, а обладают активностью, испускают лучи. Природа этих лучей была исследована рядом ученых, но первым обнаружил сложный состав радиоактивных лучей Резерфорд. В опубликованной в 1899 г. статье «Излучение урана и вызываемая им электропроводность» он показал электрическим методом, что излучение урана имеет сложный состав.

Одну из пластин конденсатора покрывали порошком солей урана и соединяли с полюсом батареи, вторую соединяли с квадрантом квадрантного электрометра, другую пару квадрантов которого подключали к заземленному полюсу батареи. Измеряли скорость разряда, обусловленного ионизирующим действием урановых лучей. Порошок накрывали тонкими листами металлической фольги. «Эти опыты,– писал Резерфорд, – показывают, что излучение урана неоднородно по составу, – в нем присутствуют по крайней мере два излучения различного типа. Одно очень сильно поглощается, назовем его для удобства а-излучением, а другое имеет большую проникающую способность, назовем его Р-излучением».

Во время исследований Резерфорд узнал о работе Шмидта, открывшего радиоактивность тория (об аналогичном открытии Склодовской-Кюри он, по-видимому, не знал). Он исследовал излучения тория и обнаружил, что а-излучение тория обладает большей проникающей способностью, чем а-излучение урана. Он также констатировал, что излучение тория «неоднородно по составу, в нем присутствуют какие-то лучи большой проникающей способности». Однако точного анализа ториевого излучения Резерфорд не проводил. В 1900 г. Вилар открыл сильно проникающее слабое излучение. Лучи Вилара стали называться 7-лучами.

Оказалось, что α -, β -, γ – лучи отличаются не только проникающей способностью. Беккерель в 1900 г. показал, что р -лучи отклоняются магнитным полем в ту же сторону, что и катодные лучи. Этот результат получили супруги Кюри, Мейер, Швейдлер и другие. Эти опыты показали, как писал Резер-форд в 1902 г., что «отклоняемые лучи во всех отношениях подобны катодным лучам». Резерфорд прямо говорит о β – лучах как об электронах. Проводя опыты именно с β – лучами, В. Кауфман в 1901 г. обнаружил зависимость массы ох скорости.

В феврале 1903 г. Резерфорд показал, что и «неотклоняемые» а-лучи на самом деле «отклоняются в сильном магнитном и электрическом полях. Эти лучи отклоняются в противоположную по сравнению с катодными лучами сторону и, следовательно, должны состоять из положительно заряженных частиц, движущихся с большой скоростью».

В 1903 г. в своей докторской диссертации «Исследования о радиоактивных веществах» М. Склодовская-Кюри дала схему структуры радиоактивного излучения по отклонению их в магнитном поле, вошедшую с тех пор во все учебники.

Вскоре после открытия полония и радия супруги Кюри установили, «что лучи, испускаемые этими веществами, действуя на неактивные вещества, способны сообщить им радиоактивность и что эта наведенная радиоактивность сохраняется в течение достаточно длительного времени».

Затем Резерфорд, изучая радиоактивность соединений тория, писал, что эти соединения, кроме обычных радиоактивных лучей, «непрерывно испускают какие-то радиоактивные частицы, сохраняющие радиоактивные свойства в течение нескольких минут». Резерфорд назвал эти частицы «эманацией». «По своим фотографическим и электрическим действиям эманация похожа на уран. Она способна ионизировать окружающий газ и действует в темноте на фотопластинку при экспозиции в несколько дней». Резерфорд на опытах с соединениями тория подтвердил их свойство возбуждать «в любом твердом веществе, расположенном рядом с ним, радиоактивность, которая со временем исчезает», т. е. ту наведенную радиоактивность, которую Кюри наблюдала за год до этого. Он показал далее, что между эманацией тория и возбужденной радиоактивностью существует тесная связь. «Эманация,– писал Резерфорд, – в некотором смысле есть непосредственная причина возбуждения радиоактивности». Резер-форд не обнаружил испускания эманации имевшимся в его распоряжении образцом «не совсем чистого радия». Однако Дорн позднее использовал более чистый образец радия и показал, что радий обладает такой же способностью испускать эманацию, как и торий.

«По мнению Резерфорда, – писала в своей диссертации Склодовская-Кюри, – эманация радиоактивного тела представляет собой материальный, радиоактивный газ, выделяющийся из этого тела». В 1902 г. Резерфорд и Содди выступили с первой статьей «Причина и природа радиоактивности». Исследуя способность соединений тория испускать эманацию, они химическими споcобами выделили из гидроокиси тория активный компонент, «обладающий специфическими химическими свойствами и активностью, по меньшей мере в 1000 раз большей активности вещества, из которого он был выделен».

Рис. 60. Спинтарископ Крукса

Сославшись на пример Крукса, выделившего в 1900 г. из урана активный компонент, названный Круксом UX, Резерфорд и Содди назвали выделенный ими из тория компонент ThX. В результате тщательных исследований они пришли к выводу: «Радиоактивность тория в любой момент есть радиоактивность двух противоположных процессов:

1) образования с постоянной скоростью соединением тория нового активного вещества;

2) уменьшения со временем излучающей способности активного вещества.

Нормальная или постоянная радиоактивность тория есть равновесное состояние, при котором скорость роста радиоактивности, обусловленная образованием нового активного вещества, уравновешивается скоростью уменьшения радиоактивности уже образовавшегося вещества».

Отсюда следует кардинальный вывод, который Резерфорд и Содди формулируют так: «...радиоактивность есть атомное явление, одновременно сопровождаемое химическими изменениями, в результате которых появляются новые типы вещества, причем эти изменения должны протекать внутри атома, а радиоактивные элементы должны испытывать спонтанные превращения».

Первая статья Резерфорда и Содди появилась в сентябрьском номере «Philosophical Magazine». В ноябрьском номере появилась вторая статья. Описав эксперимент по измерению эманационной способности, Резерфорд и Содди писали далее: «Было приведено достаточно данных, чтобы ясно показать, что как в радиоактивности тория, так и радия проявляются сложнейшие превращения, каждое из которых сопровождается непрерывным образованием особого вида активного вещества». Образующаяся из радия и тория эманация является инертным газом. Ученые обращают внимание на связь радиоактивности с гелием, который, возможно, является конечным продуктом распада.

В апреле и мае 1903 г. появились новые работы Резерфорда и Содди – «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение». Теперь они уже со всей определенностью утверждают, что «все изучавшиеся случаи радиоактивного превращения сводятся к образованию одного вещества из другого (если не учитывать испускаемые лучи). Когда происходит несколько превращений, то они происходят не одновременно, а последовательно».

Далее Резерфорд и Содди формулируют закон радиоактивного превращения: «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».

Отсюда следует, что «скорость превращения все время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению»:

dN/dt = -λ Nt

Другими словами: «Относительное количество радиоактивного вещества, превращающегося в единицу времени, есть величина постоянная». Эту постоянную Резерфорд и Содди назвали радиоактивной постоянной, а теперь ее называют постоянной распада.

Из своего открытия Резерфорд и Содди делают важные выводы о существовании новых радиоактивных элементов, которые могут быть опознаны по их радиоактивности, даже если они имеются в ничтожно малых количествах.

Предвидение Резерфорда и Содди блестяще оправдалось, а методы радиохимии, созданные супругами Кюри, Резерфордом и Содди, стали мощным орудием в открытии новых элементов, позволившим отождествить новый, 101-й элемент—менделеевий – в количестве всего 17 атомов.

В своей классической работе Резерфорд и Содди коснулись фундаментального вопроса об энергии радиоактивных превращений. Подсчитывая энергию испускаемых радием а-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». При этом данные оценки энергии касаются лишь энергии излучения, а не полной энергии радиоактивного превращения, которая, в свою очередь, может составлять лишь часть внутренней энергии атома, так как внутренняя энергия образующихся продуктов остается неизвестной.

Резерфорд и Содди считают, 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».

Вновь поражаешься прозорливости авторов, увидевших еще в 1903 г. космическую роль ядерной энергии. 1903 г. стал годом открытия этой новой формы энергии, о которой с такой определенностью высказывались Резерфорд и Содди, назвав ее внутриатомной энергией.

В том же году в Париже Пьер Кюри со своим сотрудником Лабордом измерил теплоту, самопроизвольно выделяемую солями радия. Он установил: «1 грамм радия выделяет количество теплоты порядка 100 малых калорий за один час». «Непрерывное выделение такого количества тепла, – писал Кюри, —не может быть объяснено обычным химическим превращением. Если искать причину образования тепла в каких-то внутренних превращениях, то эти превращения должны быть более сложной природы и должны быть вызваны какими-то изменениями самого атома радия».

Правда, Кюри допускал возможность и какого-то другого механизма выделения энергии. Мария Склодов-ская-Кюри предполагала, что радиоактивные элементы берут энергию из внешнего пространства. Оно «постоянно пронизывается некоторыми неизвестными еще радиациями, которые при встрече с радиоактивными телами задерживаются и преобразуются в радиоактивную энергию». Но эта гипотеза, высказанная ею в 1900 г., замечательная содержащейся в ней идеей космического излучения, была оставлена, и в 1903 г. Кюри признала: «Новейшие исследования благоприятствуют гипотезе атомных превращений радия».

1903 г. следует считать в истории радиоактивности красной датой. Это год открытия закона радиоактивных превращений и нового вида энергии – атомной энергии, проявляющейся в этих превращениях. Это год рождения первого прибора, позволяющего «видеть» отдельные атомы,– спинтарископа Крукса. «Существенная часть этого прибора, – писала Мария Склодовская-Кюри, – зернышко радиевой соли, укрепленное на конце металлической проволоки перед экраном из фосфоресцирующего цинка. Расстояние от радия до экрана очень мало (примерно 1/2 мм). В лупу наблюдают обращенную к радию сторону экрана. Глаз видит здесь настоящий дождь светящихся точек, которые постоянно вспыхивают и вновь исчезают; экран имеет вид как бы звездного неба».

Высказав гипотезу, что каждая вспышка экрана обусловлена ударом в него а-частицы, Кюри пишет, что в таком случае «здесь мы в первый раз имели бы перед собой явление, позволяющее различать индивидуальное действие частицы, имеющей атомные размеры». Так оно и оказалось.

Наконец, 25 июня 1903 г. Мария Склодовская-Кюри защищает свою докторскую диссертацию, из которой мы взяли описание спинтарископа, и становится первой женщиной во франции, получившей эту высокую ученую степень. Здесь мы вступили в область личных биографий и, поскольку это произошло, приведем краткую биографическую справку об одном из авторов закона радиоактивного распада – Фредерике Содди.

Фредерик Содди родился 2 сентября 1877 г. В 1896 г. он окончил университет в Оксфорде. Его имя вошло в историю науки с того времени, как он в 1900– 1902 гг работал вместе с Резерфордом в Монреале, в Канаде, и пришел вместе с ним к теории радиоактивных превращений. В 1903—1904 гг. Содди работал с У. Рамзеем в Лондонском университете, и здесь в 1903 г. он вместе с Рамзеем доказал спектроскопическим путем, что из эманации радия получается гелий. С 1904 по 1914 г. Содди был профессором университета в Глазго. Здесь он независимо от фаянса открывает закон радиоактивного смещения (1913) и вводит понятие изотопов.

С 1914 по 1919 г. Содди – профессор Абердинского университета, с 1919 по 1936 г. он —профессор Оксфордского университета. В 1921 г. Содди получил Нобелевскую премию по химии.

Его перу принадлежит ряд книг по радиоактивности и радиохимии, некоторые из них переведены на русский язык: «Радий и его разгадка», «Материя и энергия», «Химия радиоэлементов», «Радий и строение атома».

Умер Содди 22 сентября 1956 г.

Содди был одним из первых адептов атомной энергии. В книге «Радий и его разгадка», русский перевод которой вышел в 1910 г, он ставит вопрос: обладают ли нерадиоактивные элементы запасом энергии? Он решает его в том смысле, что «этим внутренним запасом энергии, с которым мы впервые познакомились в связи с радием, в большей или меньшей степени обладают все элементы вообще и что он является неотъемлемой особенностью их внутреннего строения». При трансмутации (превращении) элементов происходит выделение энергии.

Содди ясно видел огромную трудность задачи освобождения внутриатомной энергии и недостаточность имевшихся тогда средств для ее решения, но опыт истории науки внушил ему уверенность в ее решении в будущем «Мы едва ли можем сомневаться в том, что когда-нибудь мы сможем разрушать и создавать элементы, как теперь мы разрушаем и создаем химические соединения; мировой пульс забьется тогда с новой силой, также неизмеримо превосходящей все силы, как эти последние, в свою очередь, превосходят естественные ресурсы дикаря»

Развитие квантовой теории Эйнштейном

Открытие радиоактивных превращений и возникновение представлений об огромных запасах внутриатомной энергии было одним из существенных моментов начавшейся революции в физике. Столь же существенным было возникновение теории относительности, новых представлений о пространстве, времени, массе, о связи массы и энергии. Гораздо менее заметными и очень медленно сказывающимися были I идеи Планка о квантах энергии Сам создатель этой идеи, хотя и использовал свою формулу для определения таких атомных констант, как число Авогадро и заряд электрона, не слишком верил в кванты и полагал, что их как-то удастся ввести в русло представлений электромагнитной теории света.

Впервые обратил внимание на идею квантов и развил ее Альберт Эйнштейн в опубликованной в 1905 г. статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». В самом начале статьи Эйнштейн подчеркивал противоположность представлений физики о структуре материи и структуре света. «Согласно теории Максвелла, – писал Эйнштейн,—во всех электромагнитных, а значит, и световых явлениях энергию следует считать величиной, непрерывно распределенной в пространстве, тогда как энергия весомого тела, по современным физическим представлениям, складывается из энергий атомов и электронов. Энергия весомого тела не может быть раздроблена на сколь угодно большое число произвольно малых частей, тогда как энергия пучка света, испущенного точечным источником, по максвелловской (или вообще по любой волновой) теории света, непрерывно распределяется по все возрастающему объему».

Однако Эйнштейн полагает, что «теория света, оперирующая непрерывными пространственными функциями, приведет к противоречию с опытом, когда ее будут применять к явлениям возникновения и превращения света». По мнению Эйнштейна, явления «черного излучения», фотолюминесценции, фотоэффекта и другие, связанные с возникновением и превращением света, «лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно».

Согласно сделанному им в этой статье предположению «энергия пучка света, вышедшего из каждой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком».

Так Эйнштейн вернулся к ньютоновским представлениям о неделимых световых частицах, «поглощаемых или возникающих только целиком».

Но это возвращение произошло на новом, высшем уровне, когда оптика прочно усвоила волновые представления и не собиралась, да и не могла от них отказаться. В. И. Ленин сравнивал развитие науки с движением по спирали. Эйнштейн начал в теории света новый виток спирали.

Эйнштейн начинает с рассмотрения одной трудности в теории излучения черного тела. Если представить, что электромагнитные осцилляторы, которыми являются молекулы тела, подчиняются законам классической статистики Максвелла – Больцмана, то каждый такой осциллятор в среднем будет обладать энергией:

где R – постоянная Клапейрона, N – число Авогадро. Используя соотношение Планка между средней энергией осциллятора и объемной плотностью энергии, находящейся с ним в равновесном излучении:

где Eν – средняя энергия осциллятора частоты v, L – скорость света, ρ – объемная плотность энергии излучения, Эйнштейн пишет равенство:

Из него он находит объемную плотность энергии:

«Это соотношение, – пишет Эйнштейн, – найденное при условии динамического равновесия, не только противоречит опыту, но и утверждает, что в нашей картине не может быть и речи о каком-либо однозначном распределении энергии между эфиром и веществом». В самом деле, суммарная энергия излучения оказывается бесконечной:

К аналогичному выводу в том же, 1905 г. пришли независимо друг от друга Рэлей и Джине. Классическая статистика приводит к закону излучения, резко противоположному опыту. Эта трудность получила название «ультрафиолетовая катастрофа».

Эйнштейн указывает, что формула Планка:

переходит для больших длин волн и больших плотностей излучения в найденную им формулу:

Эйнштейн подчеркивает, что значение числа Авогадро совпадает со значением, найденным другим способом. Обращаясь далее к закону Вина , хорошо оправдывающегося для больших значений ν/T, Эйнштейн получает выражение энтропии излучения:

«Это равенство показывает, что энтропия монохроматического излучения достаточно малой плотности зависит от объема так же, как энтропия идеального газа или разбавленного раствора».

Переписав это выражение в виде:

и сравнивая его с законом Больцмана:

S-S0= (R/N) lnW,

Эйнштейн находит выражение вероятности того, что энергия излучения в объеме V0 сосредоточится в части объема V:

Эйнштейн интерпретирует эту формулу следующим образом: «Монохроматическое излучение малой плотности (в пределах области применимости закона излучения Вина) в смысле теории теплоты ведет себя так, как будто оно состоит из независимых друг от друга квантов энергии величиной Rβν/N». Заметим, что величина β в современных обозначениях равна β=h/k, где k = R/N, и, таким образом, энергия кванта (Rβν/N)=hν

Эйнштейн применяет свою теорию к явлению люминесценции и не только дает объснение правила Стокса, согласно которому частота люминесценции v2 меньше или равна частоте возбуждающего излучения v1 ( v2 < v1), но и указывает на возможные причины отступления от него.

Особенно важное значение имеет объяснение Эйнштейном фотоэффекта. Квант энергии света, поглощаясь электроном, сообщает ему кинетическую энергию (R/N) βν – P, где Р – работа выхода электрона. При наличии задерживающего потенциала Я, препятствующего электрону покидать освещаемую поверхность, выполняется равенство:

П = (R/N) βν – P.

Такова знаменитая теория фотоэффекта, давшая простое и непринужденное объяснение этого явления, остававшегося загадкой для волновой теории.

Наблюдения, сделанные Ленардом в 1902 г., как указывал Эйнштейн в своей статье, не противоречили его теории. В самом деле, скорости фотоэлектронов не зависели от интенсивности световых лучей, а число их было пропорционально интенсивности. Что же касается зависимости энергии фотоэлектронов от частоты, то она была исследована лишь в 1912 г. Ричардсоном, Комптоном и в 1916 г. Милликеном. Последние классические эксперименты наряду с измерениями Милликеном элементарного заряда были удостоены Нобелевской премии.

К идее квантов Эйнштейна привел закон Вина, справедливый в области коротких волн. Ему казалось, как он писал год спустя, что «теория излучения Планка в известном смысле противостоит моей работе». Однако тщательный анализ закона Планка привел Эйнштейна к выводу, что формула Планка основана на гипотезе квантов. Этот вывод составляет содержание работы Эйнштейна 1906 г. «К теории возникновения и поглощения света». Здесь Эйнштейн показал, что в основе теории Планка лежит следующее утверждение: «Энергия элементарного резонатора может принимать только целочисленные значения, кратные величине (R/N) βν, энергия резонатора при поглощении и испускании меняется скачком, а именно на целочисленное значение, кратное величине (R/N) bv ».

Эйнштейн увидел кванты впервые именно там, где квантовая природа света выражена особенно отчетливо: в явлении фотоэффекта. Квантовый характер излучения для него был очевиден только в коротковолновой области спектра, в области применимости закона Вина. Лишь через год он понял, что кванты являются фундаментом закона Планка. Каприз исторического развития науки выразился в том, что кванты появились в физике там, где их труднее всего было увидеть, – в законе черного излучения. Эйнштейн шел к квантовой теории естественным путем и сразу понял необходимость введения квантовых представлений в теорию света. Для него сомнений Планка и других физиков, считавших гипотезу квантов временной, не существовало. Он ясно видел, что возникновение и поглощение света описывается квантовыми законами.

В работе 1906 г. Эйнштейн устанавливает количественные соотношения между рядом напряжений Вольта и пороговой частотой фотоэффекта. Это соотношение выражается формулой:

U=(R/A) βν

и для контактной разности потенциалов двух металлов, выраженной в вольтах, Эйнштейн получает следующее значение:

«В этой формуле, – пишет Эйнштейн, – содержится следующее, по крайней мере в общем и целом, справедливое утверждение: чем более электроположительным является металл, тем меньше низшая частота света, вызывающая фотоэффект».

В следующем, 1907 г. Эйнштейн применил идею квантов к теории теплоемкости. Теорема равномерного распределения энергии по степеням свободы в теории теплоемкости твердого тела приводит к закону Дюлонга и Пти, который Эйнштейн записывает в виде с = 3Rn, или с = 5,94n, где п – число атомов в молекуле. Эта формула не дает зависимости теплоемкости от температуры и не дает правильного значения теплоемкости для углерода (алмаза), бора и кремния. Эйнштейн, предположив, что молекула твердого тела является квантовым осциллятором со средней энергией

получил для удельной теплоемкости грамм-эквивалента выражение:

Таким образом, теплоемкость является функцией температуры. Она удовлетворяет закону Дюлонга и Пти только при комнатной температуре, при приближении к абсолютному нулю теплоемкость падает.

Этот вывод был экспериментально подтвержден работами Нернста и его учеников, в результате которых Нернст пришел к своему тепловому закону, названному третьим началом термодинамики. Вместе с тем оказалось, что основная предпосылка Эйнштейна о монохроматичности колебаний осциллятора неверна, и сам Эйнштейн, а также Дебай, Борн и Карман уточнили квантовую теорию теплоемкости. Но основное положение работы Эйнштейна, что энергия элементарного образования может принимать только

значения 0, (R/N)βν, 2(R/N)βν и т. д., т. е. энергия квантуется, осталось незыблемым. Эйнштейну принадлежит заслуга расширения идеи квантов на новые области, что показало ее фундаментальное значение в физике. В этом заключалась вторая важная черта научной революции в физическом миропонимании, не сразу принятая и осознанная физиками.