История великих открытий в физике. Продолжение.

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Независимо друг от друга трое ученых (Ф. Содди. Б. Рассел и К. Фаянс) пришли к мысли сопоставить в последовательном порядке члены всех трех радиоактивных рядов с местами соответствующих элементов в периодической системе Менделеева. При этом обнаружилось следующее интересное соотношение; каждый раз, когда радиоактивный элемент испускал альфа-частицу, он превращался в другой элемент, стоящий в периодической системе слева от него через одну клетку. Напротив, испуская электрон (бета-частицу), элемент превращался в другой, стоящий справа от него. Получалось так, словно при радиоактивном распаде элемент сдвигался вправо и влево от своего исходного положения. Отсюда найденный Содди, Расселом и Фаянсом закон получил название «закона сдвига».

Этот закон понять легко. Когда ядро испускает альфа-частицу, несущую два положительных заряда, заряд ядра уменьшается на две единицы, значит, и порядковый номер нового элемента будет на две единицы меньше. Другими словами, новый элемент, возникший из исходного, как бы передвигается на два места влево.

Напротив, когда ядро испускает электрон — частицу, несущую один отрицательный электрический заряд, это равносильно тому, как если бы к ядру присоединился еще один положительный заряд. Значит, и порядковый номер нового элемента увеличивается на единицу по сравнению с исходным.

Так клетки таблицы Менделеева утратили жесткость, и их стенки перестали быть глухими, непроницаемыми перегородками. Теперь они стали гибкими, подвижными, а сами клетки оказались лишь ступенями развития вещества, по которым в обоих направлениях совершаются «сдвиги» и «переходы» взаимно превращающихся элементов.

Наконец, все в том же 1913 году Содди объяснил, почему химические свойства атомов, обладающих различными массами, оказываются тождественными. Это явление не укладывалось в рамки прежних представлений об атомном весе как главном факторе, определяющем почти все остальные физические и химические свойства элементов. Теперь же роль такого определяющего фактора перешла к заряду ядра.

Содди разъяснил, что химические свойства элемента обусловлены не весом атома, а только величиной заряда, так как только зарядом определяется место элемента в системе Менделеева. Но на одном месте в системе может оказаться не один, а несколько сортов атомов с различными атомными весами. Это будут разновидности данного элемента, если сам элемент, определяемый зарядом ядра, будет считаться видом атомов.

На конгрессе английских ученых в 1913 году Содди предложил называть эти разновидности атомов изотопами, что по-гречески означает «одинаковоместные». Таким образом, и здесь периодический закон в соединении с данными о радиоактивности явился ключом к открытию нового закона физики («закона сдвига») и выработке нового физического понятия («изотопии»). Вновь возникшие физические понятия прямо указывали на то, что их содержание подсказано периодической системой Менделеева и представлением о месте в ней отдельных химических элементов. «Порядковое число», найденное Мозли, означало номер места элемента в системе, «сдвиг» означал передвижку элемента с одного места на другое в этой же системе, «изотопия» означала попадание атомов с различными массами на одно и то же место опять-таки в этой системе. Все это говорило о том, что триумф физики, проникшей в тайны строения атома, был, прежде всего, триумфом периодического закона Менделеева.

Вместе с тем налицо были все признаки начавшегося грандиозного теоретического синтеза. Его стержнем стал периодический закон, на который начали наслаиваться новейшие физические открытия, обретавшие в периодическом законе свою сущность. Сам же закон получал дальнейшее развитие и углубление, обогащаясь за счет новейших физических открытий и обнаруживая при этом все новые и новые свои стороны, которые лишь смутно мог предугадывать Менделеев.

Все это свидетельствовало о том, что полоса разрушений, вызванная новейшей революцией в естествознании, стала сменяться полосой конструктивного, созидательного развития. Кульминационным пунктом начавшегося теоретического синтеза в физике явилось великое открытие, сделанное в 1913 году Нильсом Бором и определившее развитие атомной физики на ближайшее десятилетие.

Н. Бор, работая в те годы в лаборатории Резерфорда, часто обсуждал с ним те, казалось бы, непреодолимые трудности, с которыми столкнулась на первых порах планетарно-ядерная модель, созданная Резерфордом. Но на деле эти трудности оказались не такими уж непреодолимыми, какими они представлялись попервоначалу. Н. Бор нашел решение. Он обратился к открытию Планка, которое до тех пор стояло в стороне при решении проблем строения материи. Решение Бора состояло в следующем; двигаясь вокруг ядра по определенной («дозволенной») орбите, электрон не испускает энергию. Когда же он испускает ее, то делает это не непрерывной «струей», а как бы отдельными порциями (квантами). При этом электрон сразу же перескакивает с одной «дозволенной» орбиты на другую, лежащую ближе к ядру. Точно так же, по Бору, при поглощении одной порции энергии (кванта) электрон перескакивает на более далекую от ядра орбиту.

Так возникла знаменитая воровская модель атома, а вместе с нею и новая электромагнитная картина материи. В модели атома Бора блестяще синтезировались результаты всех великих открытий в физике конца XIX — начала XX века. Объединяющим началом для всех этих открытий, которое позволило свести их к общему «знаменателю», явился периодический закон Менделеева. Именно он оказался той «путеводной нитью» (по выражению Бора), которая помогла ответить на четвертый вопрос: как распределяются электроны внутри атома? Они распределялись слоями (или оболочками), и это отвечало распределению элементов по периодам (или своеобразным «этажам») в системе Менделеева.

После 1913 года Бор разработал свою модель для атомов всех химических элементов, связывая ее шаг за шагом с периодической системой Менделеева. Исходной же моделью для решения этой задачи послужила Бору модель, созданная им в 1913 году.

Конечно, наука не остановилась и на более поздней модели атома Бора. В этой модели обнаружились впоследствии свои трудности, свои противоречия с данными опыта, которые потребовали корённой ее ломки. При этом (в 20-х годах прошлого века) родилась квантовая механика. В творческом развитии ее самое близкое и непосредственное участие принимал до самых последних дней своей жизни Нильс Бор.

Главное, что подверглось коренной ломке в боровской модели атомов, — это классическое представление об электронах как о шариках, которые движутся подобно планетам по строго определенным орбитам вокруг ядра. Это классическое представление было заменено новым, совершенно необычным представлением об электроне как частице и волне одновременно. Поэтому движение электрона вокруг ядра похоже не на движение шарика, а скорее на движение размытого электронного облака.

И все же, несмотря на такое коренное преобразование взглядов на строение атома и на самую природу его структурных элементов — тех кирпичиков, из которых он строится, —модель Бора в ее преобразованном виде сохранила свое значение и для наших дней. Можно смело утверждать, что если бы в физике не было событии 1913 года, то не было бы и последующих событий 20-х годов. Только начав постройку атомов из ядра и электронов, как это сделал Бор, физики смогли выявить те противоречия, разрешение которых было найдено в квантовой механике. Тогда-то и начался новый этап «новейшей революции в естествознании», необходимой подготовкой и предпосылкой которого послужили открытия в физике 1913 года. В этот год физики начали уже «доходить до электрона» и окончательно дошли до него, когда родилась квантовая механика. Этот год стал как бы фокусом в развитии физики, тем фокусом, в котором сходятся важнейшие линии предшествующего движения научной мысли и из которого исходят важнейшие линии ее последующего прогресса.

В истории физики и всего естествознания 1913 год — яркая веха. И сейчас современные ученые с глубоким уважением и искренним восхищенном обращают свой взор к тому, такому еще близкому, и вместе с тем, такому уже далекому прошлому, когда закладывался один из краеугольных камней современного физического учения о строении материи.

Автор: Б. Кедров.