Текст книги "Нобелевские премии. Ученые и открытия"

Автор книги: Валерий Чолаков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 29 страниц)

II. ЗАГАДОЧНЫЕ ЛУЧИ

В конце XVIII в. некоторые физики стали заниматься изучением электричества. Исследование этого нового явления во всех его аспектах было одним из главных направлений развития физической науки в XIX в.

Прежде всего были изучены закономерности прохождения электрического тока через твердые тела, что привело к развитию электротехники. Затем были исследованы особенности прохождения электричества через жидкости. К концу века была создана теория электролитической диссоциации, имеющая большое значение для объяснения химических реакций. Гораздо труднее оказались эксперименты, связанные с прохождением электричества через газы. Ученые наблюдали самые разнообразные эффекты, но не могли объяснить их.

В 1855 г. немецкий физик Юлиус Плюккер сконструировал специальную трубку, которую заполнял различными газами, исследуя их спектры. Необходимо было найти такой способ нагревания газа, чтобы он начал светиться. Плюккер решил использовать для этого электрический разряд. Наблюдая спектры, он заметил, что во время электрического разряда стекло трубки начинает флуоресцировать. Так были открыты (1859) и впервые описаны катодные лучи.

Подобными исследованиями в 60-е годы прошлого века занялся и немецкий ученый Иоганн Гитторф. Он сконструировал специальные трубки (трубки Гитторфа) для исследования электрических разрядов в разреженных газах. Гитторф также наблюдал флуоресценцию, открытую Плюккером, и в 1869 г. описал свойства нового вида лучей. Только два года спустя английский физик Кромвелл Флитвуд Варли высказал предположение, что эти лучи состоят из небольших электрически заряженных частиц, испускаемых катодом.

Эта идея получила подтверждение в 1879 г., когда английский физик Уильям Крукс поместил в модифицированную вакуумную трубку «экран» – мальтийский крест из слюды. Обнаружилось, что крест перекрывал путь катодным лучам и отбрасывал тень на флуоресцирующий экран. Двигая вблизи трубки магнит, Крукс заметил, что тень перемещается; на основании этого он сделал вывод, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Не все ученые, однако, согласились с мнением Крукса. За три года до него немецкий физик Эуген Гольдштейн для объяснения природы катодных лучей предложил волновую гипотезу. Она основывалась на результатах Генриха Герца, который изучал прохождение этих лучей через тонкие пластинки из золота, серебра или алюминия. Физики того времени не могли даже и помыслить, что материальные частицы способны беспрепятственно проходить через вещество.

В 1892 г. Генрих Герц посоветовал своему ассистенту Филиппу Ленарду разделить катодную трубку алюминиевой фольгой на две части и таким образом исследовать катодные лучи в двух отдельных пространствах с различным давлением газов. Развивая эту идею, Ленард изготовил катодную трубку с окошком из фольги и установил, что это позволяет вывести катодные лучи за пределы трубки. Изобретение Ленарда было использовано в многочисленных экспериментах, позволивших исследовать природу и свойства катодных лучей, за что ученый был удостоен в 1905 г. Нобелевской премии по физике.

Решающие эксперименты по разгадке тайны катодных лучей были проведены английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 г. Томсон пропускал катодные лучи между двумя электрически заряженными металлическими пластинками, подвергая их одновременно воздействию как магнитного, так и электрического поля. Это дало возможность вычислить скорость частиц, а впоследствии и отношение их массы к заряду. Томсон установил, что частицы, составляющие катодные лучи, несут элементарный электрический заряд («атом» отрицательного электричества), который примерно в 1837 раз легче атома (точнее, ядра) водорода. Частица катодных лучей была названа электроном, что берет свое начало от греческого названия янтаря; название «электрон» было предложено ирландским физиком Джорджем Стонеем еще в 1891 г. За открытие электрона Джозеф Джон Томсон был удостоен в 1906 г. Нобелевской премии по физике.

Так, от исследования катодных лучей физики пришли к открытию первой элементарной частицы – электрона. Использование вакуумных трубок привело и к открытию нового вида электромагнитного излучения, которое в конце прошлого века произвело сенсацию в мире. Это были лучи, случайно обнаруженные Вильгельмом Рентгеном. Открытие Рентгена поистине потрясло ученый мир. Только за один год было опубликовано свыше тысячи работ о новых лучах. Известный французский математик и физик Жюль Анри Пуанкаре, Имевший привычку щедро раздавать свои идеи в среде ученых, предложил проверить, не излучают ли рентгеновские лучи соли урана, которые, как было замечено, флуоресцируют под действием солнечного света. Стекло рентгеновской трубки флуоресцировало зеленым светом, что напоминало свечение кристаллов урана после того, как их подержали на солнце. Это внешнее сходство натолкнуло Пуанкаре на мысль о возможной связи между флуоресценцией и рентгеновскими лучами.

Проверкой этой гипотезы занялся французский физик Антуан Анри Беккерель. В его семье исследования флуоресценции имели давние традиции. Еще его дядя Антуан Сезар Беккерель, известный ученый и член Парижской академии, проводил эксперименты в этой области. Его отец, Александр Эдмон Беккерель, также академик и даже президент Парижской академии, был автором основополагающих трудов по фосфоресценции и классифицировал это явление в зависимости от различных внешних воздействий.

Опыты Анри Беккереля были исключительно просты. Он брал фотопластинку, заворачивал ее в черную бумагу и клал на нее кристаллики урана. Выставив пластинку на некоторое время на солнце, он затем проявлял ее и с удовлетворением обнаруживал на ней силуэты кристалликов. На первый взгляд это можно было рассматривать как подтверждение гипотезы о том, что кристаллы урана, флуоресцирующие под действием солнечного света, испускают рентгеновские лучи. Однако Беккерель, будучи ученым очень высокой квалификации, решил поставить и контрольный опыт. Он положил кристаллики урана на фотопластинку, не облучая их предварительно на солнце, и установил, что несмотря на это, они излучают, не флуоресцируя. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что такой эффект вызывается самим ураном, содержащимся в кристаллах. Беккерель обнаружил, что «урановые лучи» ионизируют воздух и делают его электропроводным. Это позволило исследовать их с помощью электроскопа.

Открытие естественной радиоактивности дало физикам возможность проникнуть в новый мир. В конечном счете это привело к представлениям о сложности структуры атома и к овладению атомной энергией. За открытие естественной радиоактивности Анри Беккерель получил в 1903 г. Нобелевскую премию по физике. Вместе с ним были награждены два других исследователя естественной радиоактивности – французские физики Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Используя тот факт, что радиоактивное излучение урана ионизирует воздух, Мария Склодовская-Кюри применила в своих исследованиях электроскоп, она поставила задачу – выяснить, не обладают ли подобными свойствами и другие вещества. В 1898 г. Склодовская-Кюри одновременно (и независимо) с немецким физиком Эрхардом Карлом Шмидтом установила, что элемент торий также радиоактивен. Наряду с этим она заметила, что некоторые соединения урана и тория имеют более сильное излучение, нежели это можно было предположить, исходя из процентного содержания в них названных элементов. Это указывало на возможность существования неизвестных радиоактивных субстанций.

Мария и Пьер Кюри провели химический анализ некоторых минералов, содержащих уран, и, переработав тонны руды, в июле 1898 г. открыли новый химический элемент. Он был назван полонием – в честь Польши, родины Марии Склодовской-Кюри. В декабре того же года был открыт еще один элемент, который из-за сильного излучения получил название «радий».

Супруги Кюри по праву считаются пионерами современной атомной физики. Сам термин «радиоактивность» был предложен Марией Склодовской-Кюри. Пьер Кюри в 1901 г. обнаружил биологическое воздействие радиации, а в 1903 г. сформулировал закон уменьшения радиоактивности и ввел понятие «период полураспада». Он предложил использовать явление радиоактивности для определения абсолютного возраста земных пород. В том же году Пьер Кюри совместно с А. Лабордом обнаружил самопроизвольное выделение тепла солями радия, установив, что 1 г радия выделяет 100 кал тепла в час. Это указывало на то, что в атоме сосредоточена огромная энергия. К сожалению, Пьер Кюри погиб в 1906 г. от несчастного случая, едва достигнув 47 лет. Исследования были продолжены Марией Склодовской-Кюри, которая в 1910 г. вместе с французским химиком А. Дебьерном выделила металлический радий в чистом виде. Она определила атомный вес радия и указала его место в периодической системе элементов, за что в 1911 г. была удостоена второй Нобелевской премии – на этот раз по химии.

Законы излучения

В конце XVII в. Исаак Ньютон с помощью трехгранной стеклянной призмы разложил белый свет на семь цветов (в спектр). Этот эффектный эксперимент положил начало исследованиям света, которые два столетия спустя привели к важным последствиям в физике. Благодаря усовершенствованию оптических приборов в начале XIX в. были получены довольно хорошие спектры света различных источников. Постепенно накопленные данные были обобщены в 1859 г. Густавом Робертом Кирхгофом и Робертом Вильгельмом Бунзеном, которые выдвинули гипотезу о наличии связи между, спектрами и свойствами атомов.

В 1868 г. Эйльхард Мичерлих высказал предположение, что спектры несут информацию о процессах, происходящих в самом атоме. В дальнейшем обнаруженные в спектрах закономерности все более убеждали физиков в справедливости этого предположения. В 1885 г. Иоганн Бальмер установил простую зависимость между длинами волн линий видимой части спектра атома водорода, которую он выразил математической формулой (формула Бальмера). Позднее, в 1890 г., Иоганнес Роберт Ридберг ввел в спектроскопию свою хорошо известную константу R (постоянная Ридберга), выражающую взаимосвязь между различными сериями спектральных линий элемента.

Классическая физика не могла объяснить эти закономерности, так как ученым не была ясна природа излучения. В конце прошлого века эти процессы рассматривались с позиций термодинамики. Сначала, в 1879 г., Йозеф Стефан экспериментально установил, что энергия, излучаемая нагретым телом, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. Этот закон теоретически вывел в 1884 г. Людвиг Больцман. Над проблемой излучения начал работать и немецкий физик Вильгельм Вин, с 1890 г. ассистент Германа Гельмгольца в Физико-техническом институте в Берлине. В 1893 г. Вин опубликовал результаты своих исследований спектрального распределения излучения нагретого тела. Вин математически описывает общеизвестный факт, что с увеличением температуры свечение тела изменяется от красного до синевато-белого (т. е. максимум излучения смещается в область коротких волн). Эта закономерность получила в науке название «закон смещения Вина». В 1896 г., исходя из классических представлений, ученый вывел закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела (закон излучения Вина).

Эти открытые экспериментально закономерности были вершиной достижений классической физики в теории излучения нагретого тела. Исследования немецкого ученого подготовили почву для революционных изменений, наступивших в области физики в начале XX в., и в знак признания его заслуг в 1911 г. Вильгельму Вину была вручена Нобелевская премия по физике – за открытие закона теплового излучения.

Законами излучения в конце прошлого века занимался и другой известный ученый – Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей), который в 1900 г. опубликовал результаты своих исследований распределения энергии в спектре излучения. Его данные, однако, не согласовались с выводами Вина, сделанными для другой (коротковолновой) части спектра. В науке заговорили о так называемой «ультрафиолетовой катастрофе», так как именно в этом диапазоне спектра отмечалось несоответствие между результатами Вина и Рэлея. Это было одним из тех небольших облачков, которые в конце XIX в. появились на чистом горизонте классической физики.

Чтобы как-то согласовать противоречивые выводы, крупный немецкий физик-теоретик того времени Макс Планк высказал смелое предположение. В 1900 г., после 6 лет работы над проблемой излучения абсолютно черного тела, он предположил, что атомы излучают энергию определенными порциями, квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте волны, т. е. цвету излучаемого света. Это ознаменовало рождение квантовой теории. Благодаря этому допущению Планк теоретически вывел закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела.

Экспериментаторы сразу же приняли новую теорию и вскоре нашли ей многочисленные подтверждения. Для теоретиков, однако, это было большим ударом. Начиная еще с работ Ньютона и Лейбница, создателей дифференциального исчисления, оперирующего с бесконечно малыми величинами, физики были твердо убеждены в беспредельной «делимости» предметов и явлений. И вдруг оказалось, что излучение носит атомистический характер и не может происходить произвольно. Даже сам Планк сдержанно принимал свое открытие, воспринимая его скорее как необходимость.

Следующий шаг на пути утверждения идеи квантов был сделан в 1905 г. Альбертом Эйнштейном. В то время как Планк принимал, что излучение происходит порциями, Эйнштейн показал, что и свет имеет квантовую структуру и представляет собой поток световых квантов (фотонов). Это по существу было возрождением старой корпускулярной теории света Ньютона. Опираясь на эти идеи, Эйнштейн сумел объяснить ряд явлений, в том числе и фотоэлектрический эффект.

Фотоэффект (явление взаимодействия между светом и веществом, которое выражается в освобождении электронов из вещества под действием электромагнитного излучения) был открыт в 1887 г. Генрихом Герцем. Вскоре на основе экспериментов было дано его описание русским физиком Александром Столетовым. Эти два ученых, по существу, наблюдали так называемый внешний фотоэффект, при котором фотоны выбивают электроны из вещества. Наряду с этим существует еще и внутренний фотоэффект (открытый в 1873 г. американским физиком У. Смитом), при котором выбитые из атомов электроны остаются внутри вещества и регистрируются по повышению электропроводности.

Представление Эйнштейна о свете как о потоке частиц позволило объяснить фотоэффект передачей энергии фотонов электронам атома. Прошло, однако, немало времени, прежде чем новые взгляды утвердились в науке, Планк стал лауреатом Нобелевской премии только в 191.8 г., т. е. почти два десятилетия спустя после того, как вывел свой знаменитый закон излучения и предложил гипотезу квантов. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 г. В то время он был уже всемирно известным физиком, автором знаменитой теории относительности, и поэтому в мотивации награждения наряду с открытием законов фотоэффекта упоминается и о его заслугах в теоретической физике.

Объяснение, данное Эйнштейном фотоэффекту, не сразу получило признание физиков, так как отсутствовали подтверждавшие его экспериментальные данные. Лишь в 1910—1914 гг. американский физик Роберт Энд-рус Милликен провел в Чикагском университете первые опыты, подтвердившие новые представления о свете. Милликен создал оригинальный прибор, который позволял измерять количество электронов (и их энергию), выбитых из металлов при освещении их светом различной длины волны (т. е. различного цвета). Этот интересный прибор дал возможность прежде всего определить так называемую постоянную Планка, устанавливающую связь между энергией и частотой кванта. Кроме того, Милликен экспериментально проверил уравнения Эйнштейна для фотоэффекта в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Талантливому экспериментатору Роберту Милликену принадлежит еще одно крупное достижение, которое принесло ему широкую известность. Используя оригинальную аппаратуру и разработанный им метод капель, он провел огромное количество опытов, позволивших ему точно измерить электрический заряд электрона («атома» электричества). За это открытие, а также за исследование фотоэффекта Милликен получил в 1923 г. Нобелевскую премию по физике.

В 60-е годы XIX в. в физике произошло крупное событие: английский физик Джеймс Клерк Максвелл объединил явления электричества, магнетизма и света, создав теорию электромагнитного поля. Так возник новый раздел физики, получивший название электродинамики. Идеи Максвелла были развиты.дальше и поставлены на новую основу нидерландским физиком-теоретиком Хендриком Антоном Лоренцем, Объединив электромагнитную теорию Максвелла с представлениями об атомистическом характере электричества, он создал классическую электронную теорию. Электрические, магнитные и оптические явления теория Лоренца объясняла как движение дискретных электрических зарядов.

Основы электронной теории Лоренц заложил в 1880 г., а окончательно она оформилась к 1909 г., после того как был открыт электрон. Согласно этой теории, атомы состоят из электронов и положительно заряженных частиц, которые их нейтрализуют. При движении этих зарядов возникают электрические и магнитные поля. Исходя из этих представлений, Лоренц объяснил ряд электрических и оптических явлений и даже предсказал явления, которые тогда не наблюдались. В частности, он указал, что спектральные линии излучения (которое обусловлено движением электронов) должны расщепляться под действием электрических и магнитных полей, поскольку поля влияют на движение электронов. Предсказание Лоренца было подтверждено в августе 1896 г. его соотечественником, молодым нидерландским физиком Питером Зееманом.

В своем эксперименте Зееман поместил пламя газовой горелки между полюсами электромагнита. При добавлении обычной поваренной соли пламя окрашивалось в желтый цвет – спектральная линия излучения натрия. При включении магнитного поля спектральные линии расширялись в полном соответствии с теорией Лоренца. В этот же период времени Томсон исследовал катодные лучи и данные, полученные им в опытах, никак не связанных с экспериментами Зеемана, послужили убедительным свидетельством в пользу реального существования электронов.

Идеи Лоренца и открытия Зеемана были крупным шагом вперед в изучении теории излучения. Уже в 1902 г. их работы получили признание Нобелевского комитета, принявшего решение 6 присуждении двум нидерландским ученым премии по физике.

Согласно теории Лоренца, электрическое поле должно также воздействовать на свет. Экспериментальное доказательство этого вывода значительно задержалось по чисто техническим причинам.

Влияние электрического поля на спектральные линии натриевого пламени нельзя было изучать, поместив пламя между двумя электродами. Поскольку пламя проводит ток, электрическое поле при этом вообще исчезает. Лишь в 1913 г. Иоханнес Штарк, чтобы обойти эту трудность, создал другую экспериментальную установку, используя свойства так называемых каналовых лучей. Это своего рода антипод катодных лучей. Если в катоде электронно-лучевой трубки проделать отверстия, то через них проходят частицы, которые представляют собой положительные ионы, излучающие свет. Направляя каналовые лучи в электрическое поле, Штарк обнаружил, что при этом происходит расщепление спектральных линий излучения, как и предсказывала теория Лоренца. По аналогии с уже известным «эффектом Зеемана» это явление получило название «эффект Штарка». В 1919 г. Иоханнес Штарк получил за свое открытие Нобелевскую премию по физике.

Исследования законов излучения дали очень ценную информацию о внутреннем строении атома и привели к созданию различных его моделей. Но чтобы сделать правильный выбор между этими моделями, требовались и другие экспериментальные методы, которые стали возможны только в начале нынешнего столетия.

Модели атома

Концепция атома возникла впервые в древней Греции. Демокрит и другие древнегреческие философы высказывали мысль, что все тела в окружающем нас мире состоят из мельчайших частиц, которые далее не могут делиться и являются основными «кирпичиками» вещества. Отсюда и название «атом», что значит по-гречески «неделимый».

Наука открыла атом лишь в начале XIX в. Первая современная теория о том, что вещество состоит из ограниченного числа частиц, была создана в 1803 г. английским ученым Джоном Дальтоном. Так, вслед за философами атомом занялись химики. Прошло еще 100 лет, прежде чем физики смогли показать, что эта «неделимая» частица представляет собой довольно-таки сложную систему, таящую в себе немало загадок природы. Исследования ряда ученых в конце XIX и начале XX вв. показали, что электричество и свет имеют дискретный характер, т. е. состоят из частиц. Эти представления легли в основу различных моделей атома, которые все более точно воссоздавали его подлинную структуру.

М.В. Ломоносов еще в середине XVIII в. считал, что окружающий нас мир состоит из весомой материи и эфира. «Все тела, – утверждал Ломоносов, – состоят из “корпускулов” (молекул), содержащих “элементы” (атомы, – Прим. ред.)

Прежде всего в 1903 г. Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома в виде «пудинга с изюмом», согласно которой атом представляет собой положительно заряженной сферу с вкрапленными в нее электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду сферы, поэтому в целом атом электрически нейтрален. Модель атома Томсона в какой-то степени позволяла объяснить процессы излучения, рассеяния и поглощения света, и в течение ряда лет она была весьма популярна. Это пример того, как модель, не имеющая ничего общего с действительностью, тем не менее «работает» – дает возможность объяснить некоторые реально наблюдаемые явления.

Примерно в то же время французский ученый Жан Батист Перрен предложил планетарную модель атома. В этой модели наблюдаемые свойства атомов объяснялись орбитальным движением электронов. Подобную модель предложил в 1904 г. и японский физик Хантаро Нагаока. Это так называемая «модель Сатурна», в которой электроны образуют кольцо, вращающееся вокруг центрального положительно заряженного ядра, подобно тому как кольца обращаются вокруг планеты Сатурн. Эти первые модели атома были весьма умозрительными и не «продержались» долго. Только после появления новых экспериментальных данных стало возможным установить подлинную структуру атома.

В 1906 г. английский ученый Эрнест Резерфорд исследовал взаимодействие между альфа-частицами и веществом. С этой целью проводились опыты, в которых тонкие пластинки из золота и других металлов «обстреливались» альфа-частицами. Эксперименты были поручены новозеландскому физику Эрнесту Марсдену, работавшему у Резерфорда в Манчестерском университете. В 1909 г. Марсден вместе с Хансом Гейгером (другим ассистентом Резерфорда) обнаружил, что изредка (примерно в одном случае из 8000) альфа-частицы рассеивались при соударении с мишенью на очень большой угол, словно сталкивались с массивной преградой. Результаты были настолько неожиданными, что Марсден долго не решался сообщить о них Резерфорду, считая, что здесь скрыта какая-то ошибка. Резерфорд действительно был очень удивлен и потом часто вспоминал, что это выглядело столь же невероятным, как если бы летящий снаряд отскочил от листа бумаги.

К 1911 г. было накоплено уже достаточно подобных экспериментальных данных, что позволило Резерфорду предложить его хорошо известную «планетарную модель» атома, основанную уже на прямых результатах наблюдений. Впервые были сделаны оценки размеров атома и находящегося в центре его небольшого положительно заряженного ядра, на котором, собственно, и рассеивались столь сильно альфа-частицы. Модель атома Резерфорда была такова: вокруг ядра, размером примерно в 100 тысяч раз меньше самого атома, вращаются, как планеты вокруг Солнца, отрицательно заряженные электроны. Но «планетарная модель» Резерфорда также объясняла далеко не все, потому что она основывалась на представлениях классической физики. Согласно последним представлениям, вращающийся электрон должен был бы непрерывно излучать энергию и, довольно быстро израсходовав ее, упасть на ядро. Модель Резерфорда находилась лишь в одном шаге от истины – и этот шар был сделан датским физиком Нильсом Бором.

В 1913 г. Бор, объединив идеи квантования энергии, выдвинутые Планком и Эйнштейном, с моделью атома Резерфорда, выдвинул гипотезу, что электроны движутся вокруг ядра только по таким орбитам, на которых они не излучают и не поглощают энергию. Далее, он показал, что излучение и поглощение происходят только квантами в момент перехода электрона с одной орбиты на другую. Теория Бора позволяла легко вывести постоянную Ридберга и успешно объясняла другие результаты, полученные в экспериментальной спектроскопии. Уже на следующий год были проведены спектральные измерения в ультрафиолетовой области, которые подтвердили справедливость новой модели атома.

Модель Бора была первой квантовой моделью атома. Она положила начало новой эпохи в развитии атомной теории, объединив в себе результаты, полученные при исследованиях радиоактивности, оптических и электромагнитных явлений. Новая модель атома сразу же обнаружила свою плодотворность в спектроскопии и теории химической связи. Она ознаменовала собой отход от классических представлений и начало широкого внедрения квантовых идей в современную науку. За создание квантовой теории атома Нильс Бор был удостоен в 1922 г. Нобелевской премии по физике.