История великих открытий в физике
Перенесемся мысленно на сто с хвостиком лет назад и попробуем представить себе, каково было в то время положение в науке. В физике шла тогда величайшая революция, вызванная удивительными открытиями конца позапрошлого века и начала прошлого. Одно за другим следовали блестящие открытия, в свете которых материя представлялась иной, чем рисовалось ученым еще так недавно. Тогда были открыты лучи Рентгена (1895), радиоактивность (Веккерель, 1896), электрон (Томсон, 1897), радий (супруги Кюри, 1899), создана теория радиоактивного распада атомов (Резерфорд и Содли, 1902). Электрон предстал не только как мельчайшая частица отрицательного электричества, но и как общая составная часть всех атомов, как кирпичик всех атомных построек. С этого момента идея неизменного, неделимого атома, идея вечных, не превращающихся друг в друга химических элементов, которая много веков господствовала в умах ученых, внезапно рухнула, причем окончательно и бесповоротно.
Одновременно начались открытия в области световых явлений. В 1900 году были сделаны два замечательных открытия в оптике. Планк открыл дискретный (атомистический) характер излучения и ввел понятие кванта действия; Лебедев измерил (а значит, экспериментально открыл) давление света. Отсюда логически следовало, что свет должен обладать массой.
Спустя еще несколько лет (в 1905 году) Эйнштейн создал теорию относительности (ее специальный принцип) и вывел из нее фундаментальный закон современной физики – закон взаимосвязи массы и энергии. Одновременно он выдвинул понятие фотона (или «атома света»).
Рубеж XIX и XX веков был периодом глубочайшей ломки старых физических понятий. Рушилась вся старая, по сути дела, механистическая, картина мира. Ломались не только понятия атома и элемента, но и понятия массы и энергии, вещества и света, пространства и времени, движения и действия. На место понятия неизменной массы, не зависящей от скорости движения тела, пришло понятие массы, меняющейся по своей величине в зависимости от того, с какой скоростью движется тело. На место понятия непрерывного движения и действия пришло представление об их дискретном, квантовом характере. Если энергетические явления математически описывались раньше непрерывными функциями, то теперь пришлось вводить для их описания прерывисто меняющиеся величины.
Пространство и время выступили не как внешние по отношению к материи, к движению и друг к другу формы бытия, а как зависимые и от них и друг от друга. Вещество и свет, разделенные ранее абсолютной перегородкой, обнаружили общность своих свойств (наличие массы, хотя качественно и различной) и своего строения (дискретный, зернистый характер).
Но не только крушением устаревших представлений характеризовалось то время: на руинах старых принципов, подвергшихся всеобщему разгрому (по выражению Л. Пуанкаре) стали уже то тут, то там возводиться первые теоретические постройки, но они еще не были охвачены общим планом, не были сведены в общий архитектурный ансамбль научных представлений.
«От атома отошли», значит, перестали по-старому считать атом пределом познания, последней частицей материи, дальше которой двигаться нельзя, некуда. «До электрона не дошли», значит, еще не создали нового представления о строении атома из электронов (включая и представление о положительном заряде в атоме).
Создание новой электронной теории строения материи стало центральной задачей физиков. Для решения этой задачи необходимо было ответить, прежде всего, на следующие четыре вопроса.
Первый вопрос. Как распределен или где сосредоточен внутри атома положительный электрический заряд? Одни физики полагали, что он равномерно распределен по всему атому, другие считали, что он находится в центре атома, словно «нейтральное светило» миниатюрной солнечной системы, которую, по их предположению, представляет собой атом.
Второй вопрос. Как ведут себя электроны внутри атома? Одни ученые думали, что электроны наглухо закреплены в атоме, как бы вкраплены в него, и образуют статическую систему, другие же, напротив, допускали, что электроны с огромной скоростью движутся внутри атома по определенным орбитам.
Третий вопрос. Сколько электронов может быть в атоме того или иного химического элемента? На этот вопрос не давалось даже предположительного ответа.
Четвертый вопрос. Как распределяются электроны внутри атома: слоями или и виде хаотического роя? На этот вопрос нельзя было дать никакого ответа, по крайней мере, до тех пор, пока оставалось неустановленным общее число электронов в атоме.
Ответ на первый вопрос был получен в 1911 году. Бомбардируя атомы положительно заряженными альфа-частицами, Резерфорд установил, что альфа-частицы свободно пронизывали атом во всех направлениях и на всех его участках, кроме центра. Близ центра частицы явно отклонялись от прямолинейного пути, как если бы они испытывали отталкивающее воздействие, исходящее из центра атома. Когда же частицы оказывались направленными прямо в центр атома, они отскакивали назад, как если бы в центре находилось чрезвычайно прочное, твердое зернышко. Это свидетельствовало о том, что положительный заряд атома действительно сосредоточен в ядре атома, равно как и почти вся масса атома. Резерфорд вычислил на основании полученных им опытных данных, что по своим размерам ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома. (Диаметр атома около 10 см, диаметр ядра около 10—13 см.)
Но если это так, то электроны не могут находиться в неподвижном состоянии внутри атома: их там ничто не может закрепить на одном месте. Напротив, они должны двигаться вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца.
Так намечался ответ на второй вопрос. Однако окончательный ответ на него удалось добыть не сразу. Дело в том, что, согласно представлениям классической электродинамики, электрически заряженное тело, двигающееся в электромагнитном поле, должно непрерывно терять свою энергию. В результате этого электрон должен был постепенно приближаться к ядру и наконец, пасть на него. На деле же ничего подобного не происходит, атом ведет себя как вполне устойчивая система.
Не зная, как решить возникшую перед ними трудность, физики не могли дать определенного ответа на второй вопрос. Но пока продолжались поиски ответа па второй вопрос, неожиданно пришел ответ на третий.
…В конце XIX века многим ученым казалось, что ответ на вопрос о том, каково же строение материи, даст периодический закон химических элементов. Так думал и сам Д. И. Менделеев. Физические открытия, сделанные на рубеже XIX и XX веков, казалось бы, никак не были связаны с этим законом и стояли от него особняком.
В итоге сложились как бы две самостоятельные, изолированные друг от друга линии научного развития: одна — старая, начавшаяся еще в 1869 году (когда был открыт периодический закон) и продолжавшаяся в XX веке (это была, так сказать, химическая линия), другая — новая, возникшая в 1895 году, когда началась «новейшая революция в естествознании» (физическая линия).
Не связанность обеих линий научного развития усугублялась еще и тем, что многие химики представляли себе периодическую систему Менделеева как трактующую о неизменности химических элементов. Новая же физика, наоборот, исходила целиком из представлений о превращающихся и разрушающихся элементах.
Грандиозный бросок естествознания вперед стал возможным, прежде всего, благодаря тому, что две линии научного развития — «химическая» (идущая от периодического закона) и «физическая» (идущая от рентгеновых лучей, радиоактивности, электрона и кванта) — слились, взаимно обогатив друг друга.
В 1912 году в лаборатории Резерфорда появился молодой физик Мозли. Он выдвинул свою собственную тему, которую Резерфорд горячо одобрял. Мозли хотел выяснить зависимость между местом элементов (речь шла о металлах) в периодической системе Менделеева и характеристическим рентгеновским спектром того же элемента. Здесь была гениальна сама идея, сам замысел задуманной работы связать периодический закон с экспериментальными данными рентгеновского анализа. Как это нередко бывает в науке, правильная постановка проблемы дала сразу же ключ к ее решению.
В 1913 году Мозли нашей решение проблемы. Из математически обработанных Данных рентгеновского спектра того или иного химического элемента при помощи несложных операций он выводил некоторое целое число, специфичное для каждого элемента. Перенумеровав все элементы по порядку их расположения в периодической системе, Мозли увидел, что найденное из экспериментальных данных число N равняется порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Это был решающий шаг к тому, чтобы ответить на третий вопрос.
В самом деле. Каков физический смысл числа N? Почти одновременно несколько физиков ответили так: «Число N указывает величину положительного заряда атомного ядра (Z), а значит, и число электронов в оболочке нейтрального атома данного элемента». Такой ответ дали Нильс Вор, Мозли и голландский физик ван ден Брук.
Таким образом, начался прямой штурм одной из важнейших крепостей природы, еще не завоеванной к тому времени человеческим разумом, — электронного строения атома. Успех этого штурма обеспечивался начавшимся союзом идей химиков и физиков, своеобразным взаимодействием различных «родов войск».
В то время как Мозли открывал закон, носящий теперь его имя, сильная поддержка отряду науки, штурмующему вышеназванную крепость, пришла со стороны ученых, изучавших радиоактивные явления. В этой области были сделаны три важных открытия.
Во-первых, были установлены различные типы радиоактивного распада: альфа-распад, при котором из ядра вылетают альфа- частицы — ядра гелия: бета-распад (из ядра вылетают электроны) и гамма-распад (ядро испускает жесткое электромагнитное излучение). Во-вторых, оказалось, что существуют три различных радиоактивных ряда: урана, тория и актиния. В-третьих, было обнаружено, что при разных атомных весах некоторые члены одного ряда оказываются химически неотличимыми и неотделимыми от членов другого ряда.
Все эти явления требовали объяснения, и оно было дано в том же знаменательном 1913 году. Но об этом уже читайте в нашей следующей статье.
Автор: Б. Кедров.