Історія великих відкриттів у фізиці

Лабораторія Резерфорда

Перенесемося подумки на сто з хвостиком років тому і спробуємо уявити собі, яке було в той час становище в науці. У фізиці йшла тоді найбільша революція, викликана дивовижними відкриттями кінця позаминулого століття і початку минулого. Одне за іншим слідували блискучі відкриття, в світлі яких матерія представлялася іншою, ніж малювалася вченим ще так недавно. Тоді були відкриті промені Рентгена (1895), радіоактивність (Веккерель, 1896), електрон (Томсон, 1897), радій (подружжя Кюрі, 1899), створена теорія радіоактивного розпаду атомів (Резерфорд і Содлі, 1902). Електрон постав не тільки як дрібна частка негативної електрики, але і як загальна складова частина всіх атомів, як цеглинка всіх атомних будівель. З цього моменту ідея незмінного, неподільного атома, ідея вчених, що хімічні елементи не перетворюються один в одного, яка багато століть панувала в умах вчених, раптово звалилася, причому остаточно і безповоротно.

Одночасно почалися відкриття в області світлових явищ. У 1900 році було зроблено два чудових відкриття в оптиці. Планк відкрив дискретний (атомістичний) характер випромінювання і ввів поняття кванта дії; Лебедєв виміряв (а значить, експериментально відкрив) тиск світла. Звідси логічно випливало, що світло повинно володіти масою.

Ще через кілька років (1905 року) Ейнштейн створив теорію відносності (її спеціальний принцип) і вивів з неї фундаментальний закон сучасної фізики – закон взаємозв’язку маси і енергії. Одночасно він висунув поняття фотона (або «атома світла»).

Рубіж XIX і XX століть був періодом глибокої ломки старих фізичних понять. Валилася вся стара, по суті справи, механістична, картина світу. Ламалися не тільки поняття атома і елемента, але і поняття маси та енергії, речовини та світла, простору і часу, руху і дії. На місце поняття незмінної маси, не залежної від швидкості руху тіла, прийшло поняття маси, мінливої по своїй величині в залежності від того, з якою швидкістю рухається тіло. На місце поняття безперервного руху і дії прийшло уявлення про їх дискретний, квантовий характер. Якщо енергетичні явища математично описувалися раніше безперервними функціями, то тепер довелося вводити для їх опису переривчасто мінливі величини.

Простір і час виступили не як зовнішні по відношенню до матерії, до руху і один до одного форми буття, а як залежні і від них і один від одного. Речовина і світло, розділені раніше абсолютною перегородкою, виявили спільність своїх властивостей (наявність маси, хоча якісно і різної) і своєї будови (дискретний, зернистий характер).

Але не тільки крахом застарілих уявлень характеризувався той час: на руїнах старих принципів, які зазнали загального розгрому (за висловом Л. Пуанкаре) стали вже то тут, то там зводитися перші теоретичні побудови, але вони ще не були охоплені загальним планом, не були зведені в загальний архітектурний ансамбль наукових уявлень.

«Від атома відійшли», значить, перестали по-старому вважати атом межею пізнання, останньою часткою матерії, далі якої рухатися не можна, нікуди. «До електрона не дійшли», значить, ще не створили нового уявлення про будову атома з електронів (включаючи і уявлення про позитивний заряді в атомі).

Створення нової електронної теорії будови матерії стало центральним завданням фізиків. Для вирішення цього завдання необхідно було відповісти, насамперед, на наступні чотири питання.

Перше запитання. Як розподілений або де зосереджений всередині атома позитивний електричний заряд? Одні фізики вважали, що він рівномірно розподілений по всьому атому, інші вважали, що він знаходиться в центрі атома, немов «нейтральне світило» мініатюрної сонячної системи, яку, за їх припущенням, являє собою атом.

Друге питання. Як поводяться електрони всередині атома? Одні вчені думали, що електрони наглухо закріплені в атомі, як би вкраплені в нього, і утворюють статичну систему, інші ж, навпаки, допускали, що електрони з величезною швидкістю рухаються всередині атома по певних орбітах.

Третє питання. Скільки електронів може бути в атомі того чи іншого хімічного елемента? На це питання не давалося навіть орієнтовної відповіді.

Четверте питання. Як розподіляються електрони всередині атома: шарами або у вигляді хаотичного рою? На це питання не можна було дати ніякої відповіді, принаймні, до тих пір, поки залишалося невстановленим загальне число електронів в атомі.

Відповідь на перше питання була отримана в 1911 році. Бомбардуючи атоми позитивно зарядженими альфа-частинками, Резерфорд встановив, що альфа-частинки вільно пронизували атом у всіх напрямках і на всіх його ділянках, крім центру. Поблизу центру частинки явно відхилялися від прямолінійного шляху, як якби вони відчували відразливий вплив, що виходить з центру атома. Коли ж частинки виявлялися спрямованими прямо в центр атома, вони відскакували назад, як якби в центрі знаходилося надзвичайно міцне, тверде зернятко. Це свідчило про те, що позитивний заряд атома дійсно зосереджений в ядрі атома, так само як і майже вся маса атома. Резерфорд обчислив на підставі отриманих ним досвідчених даних, що за своїми розмірами ядро атома в сто тисяч разів менше самого атома. (Діаметр атома близько 10 см, діаметр ядра близько 10-13 см.)

Але якщо це так, то електрони не можуть знаходитися в нерухомому стані всередині атома: їх там ніщо не може закріпити на одному місці. Навпаки, вони повинні рухатися навколо ядра, подібно до того як планети рухаються навколо Сонця.

Так намічалася відповідь на друге питання. Однак остаточну відповідь на нього вдалося добути не відразу. Справа в тому, що, згідно з уявленнями класичної електродинаміки, електрично заряджене тіло, що рухається в електромагнітному полі, має безперервно втрачати свою енергію. У результаті цього електрон повинен був поступово наближатися до ядра і нарешті, впасти на нього. На ділі ж нічого подібного не відбувається, атом поводиться як цілком стійка система.

Не знаючи, як вирішити виниклу перед ними трудність, фізики не могли дати певної відповіді на друге питання. Але поки тривали пошуки відповіді па друге питання, несподівано прийшла відповідь на третє.

…Наприкінці XIX століття багатьом вченим здавалося, що відповідь на питання про те, яку ж будову матерії, дасть періодичний закон хімічних елементів. Так думав і сам Д. І. Менделєєв. Фізичні відкриття, зроблені на рубежі XIX і XX століть, здавалося б, ніяк не були пов’язані з цим законом і стояли від нього осібно.

У результаті склалися як би дві самостійні, ізольовані один від одного лінії наукового розвитку: одна – стара, яка розпочалася ще в 1869 році (коли був відкритий періодичний закон) і тривала в XX столітті (це була, так би мовити, хімічна лінія), інша – нова, що виникла в 1895 році, коли почалася «новітня революція у природознавстві» (фізична лінія).

Не зв’язаність обох ліній наукового розвитку посилювалася ще й тим, що багато хіміків уявляли собі періодичну систему Менделєєва як трактуючу про незмінність хімічних елементів. Нова ж фізика, навпаки, виходила цілком з уявлень про преобертових та зруйнованих елементів.

Грандіозний кидок природознавства вперед став можливим, насамперед, завдяки тому, що дві лінії наукового розвитку – «хімічна» (що йде від періодичного закону) і «фізична» (що йде від рентгенових променів, радіоактивності, електрона і кванта) – злилися, взаємно збагативши одна одну.

У 1912 році в лабораторії Резерфорда з’явився молодий фізик Мозлі. Він висунув свою власну тему, яку Резерфорд гаряче схвалював. Мозлі хотів з’ясувати залежність між місцем елементів (йшлося про метали) в періодичній системі Менделєєва і характеристичним рентгенівським спектром того ж елементу. Тут була геніальна сама ідея, сам задум задуманої роботи зв’язати періодичний закон з експериментальними даними рентгенівського аналізу. Як це нерідко буває в науці, правильна постановка проблеми дала відразу ж ключ до її вирішення.

У 1913 році Мозлі знайшов рішення проблеми. З математично оброблених даних рентгенівського спектра того чи іншого хімічного елемента за допомогою нескладних операцій він виводив деяке ціле число, специфічне для кожного елемента. Перенумерувавши всі елементи по порядку їх розташування в періодичній системі, Мозлі побачив, що знайдене з експериментальних даних число N дорівнює порядковому номеру елемента в системі Менделєєва. Це був вирішальний крок до того, щоб відповісти на третє питання.

Справді. Який фізичний зміст числа N? Майже одночасно кілька фізиків відповіли так: «Число N вказує величину позитивного заряду атомного ядра (Z), а значить, і число електронів в оболонці нейтрального атома даного елемента». Таку відповідь дали Нільс Бор, Мозлі і голландський фізик Ван ден Брук.

Таким чином, почався прямий штурм однієї з найважливіших фортець природи, ще не завойованої до того часу людським розумом, – електронної будови атома. Успіх цього штурму забезпечувався започаткованим союзом ідей хіміків і фізиків, своєрідною взаємодією різних «родів військ».

У той час як Мозлі відкривав закон, що носить тепер його ім’я, сильна підтримка загону науки, штурмуючому вищеназвану фортецю, прийшла з боку вчених, які вивчали радіоактивні явища. У цій області були зроблені три важливі відкриття.

По-перше, були встановлені різні типи радіоактивного розпаду: альфа-розпад, при якому з ядра вилітають альфа-частинки – ядра гелію: бета-розпад (з ядра вилітають електрони) і гамма-розпад (ядро випускає жорстке електромагнітне випромінювання). По-друге, виявилося, що існують три різних радіоактивних ряди: урану, торію та актинію. По-третє, було виявлено, що при різних атомних вагах деякі члени одного ряду виявляються хімічно невідмітними і невіддільними від членів іншого ряду.

Всі ці явища вимагали пояснення, і воно було дано в тому ж знаменну 1913 році. Але про це вже читайте в нашій наступній статті.

Автор: Б. Кедров.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *