Физика в 1896 году

За какие-нибудь 50 лет великие движения XX века и сопровождавшая их революция в физической науке изменили физику почти до неузнаваемости. Чтобы понять эту революцию, необходимо вернуться несколько назад и рассмотреть позицию и статус науки в начале века. Атмосфера к концу XIX века была такой, в которой связная и удовлетворительная теория сочеталась со все более успешным практическим ее применением. Электромагнетизм Фарадея и Максвелла использовался в новых электрических осветительных и силовых сетях. Термодинамика Клаузиуса и Гиббса начинала оказывать свое влияние на проектирование тепловых двигателей и химических установок. В воздухе, несомненно, веяло новыми изобретениями. Электромагнитная теория должна была вызвать к жизни радио; термодинамика уже привела к созданию двигателя внутреннего сгорания, который должен был обусловить возможность дешевого транспорта и воздушные полеты. Все это, однако, было всего лишь дальнейшим расширением ранее утвердившегося познания и не обещало привести к чему-нибудь радикально новому.

Электрический разряд

Изменения должны были прийти со стороны тех отраслей физики, которыми до тех пор пренебрегали и где наблюдались явления, нелегко примирявшиеся с классической картиной; однако с виду явления эти казались столь незначительными, что не вызывали серьезных сомнений в возможности включения их в эту картину в будущем. Одним из первых эту кору благодушия, характерного для физики XIX века, пробило изучение электрического разряда. Явления искр, дуг и кистевых разрядов всегда казались туманной и трудно объяснимой, хотя и увлекательной второстепенной отраслью физики. В середине XIX века эти явления привлекли к себе некоторое внимание в связи с модой на дуговое освещение, но к концу века это последнее должно было уступить место лампам накаливания. Однако опыты с электрическими разрядами в вакууме также дали блестящие результаты, а потребности новой электропромышленности породили стремление к усовершенствованию вакуумной техники. Следствием как этого возрожденного интереса, так и новых технических приемов явилось в конце XIX века несколько новых наблюдений, имевших серьезное значение. Многие из них, казалось, не поддавались интерпретации в рамках классической физики. В 1896 году сэр Уильям Крукс (1832—1919), продолжая наблюдения Фарадея, относившиеся еще к 1838 году, заметил яркое свечение, исходившее из отрицательного конца, катода, высоко-эвакуированной разрядной трубки. Оно, казалось, состояло из некоего рода частиц, вырывавшихся из катода. Он назвал эти катодные лучи новом лучистой формой материи. Этот термин оказался пророческим, ибо именно из получения множества таких обладающих огромной скоростью излученных частиц должна была вырасти новая физика.

Рентген и рентгеновские лучи

Такая возможность мелькнула перед мысленным взором Джонстона Сто-ней (1826—1911), н он в 1894 году назвал катодные лучи электронами-, Жан Перрен (1870—1942) показал, что они имели отрицательный заряд (1895); Дж. Дж. Томсон (1856—1940) измерил их скорость (1897). В ноябре 1895 года направление исследовании было внезапно изменено в связи со случайным и совершенно непредвиденным открытием. Конрад фон Рентген (1845—1923), в то время незаметным профессор физики в Вюрцбурге, купил одну из новых катодно-лучевых разрядных трубок с целью выяснения ее внутреннего механизма. Уже через неделю он натолкнулся на загадочное явление, имевшее место снаружи трубки; из нее исходило нечто, имевшее свойства, существования которых в природе до сих пор нельзя было себе даже представить; нечто, заставлявшее флуоресцирующие экраны светиться в темноте и затемнявшее фотографические пластинки через черную бумагу. При этом получались весьма удивительные фотографии—фотографии, показывавшие наличие монет в кошельках и костей в руке. Рентген не знал, что представляло собой это «нечто», поэтому он назвал его «X-лучом» (в нашей литературе носит название «рентгеновский луч».—Ред.). Это было в полном смысле слова научное открытие; такой луч мог увидеть каждый, и неудивительно, что уже через несколько дней известие о нем облетело весь мир; оно стало темой бесчисленных острот в мюзик-холлах, а через несколько недель почти все без исключения крупные физики повторили этот опыт для себя и демонстрировали его перед изумленной публикой.

Электрон

Однако какой бы огромной ни была непосредственная ценность рентгеновских лучей, в особенности для медицины, их конечное значение было еще большим для физики и естествознания в целом, ибо открытие таких лучей должно было дать ключ не к одной, но ко многим отраслям физики. В первую очередь оно дало Дж. Дж. Томсону возможность углубить свое понимание генераторов рентгеновских лучей—катодных лучей, или электронов,—ибо он нашел, что не только электроны, ударяясь о какое-нибудь вещество, порождали рентгеновские лучи, не что и рентгеновские лучи, ударяясь о любое вещество, порождали электроны. Они могли производить ионы, или заряженные частицы в газах, и это в значительной степени объясняло таинственные свойства электрических разрядов, включая самый большой из всех электрических разрядов—вспышку молнии. Открытие, что электроны, которые внешне казались совершенно одинаковыми, могли извлекаться из самых различных видов вещества, указывало на то, что они являются электрической материей. Однако эта материя состояла из отдельных частиц—она была атомистична,—и именно учет этого факта заставил Дж. Дж. Томсона сделать первый решающий шаг к раскрытию внутренней структуры атома.

Возрождение атомизма

Именно настойчивое утверждение взгляда на атомы как на совершенно реальные единицы отличает физиков XX века от их предшественников в XIX веке. XIX век открылся атомной теорией Дальтона в химии. Он явился, далее, свидетелем торжества атомизма в структурных формулах органической химии, но, в конце XIX века одно из течений в науке в значительной степени под влиянием Маха и Оствальда, было антиатомистическим и стояло за разъяснение свойств, приписываемых атомам, под углом зрения более общих субстанций и отношений. Сам Ньютон был атомистом, однако его механика, обобщенная Лагранжем и Гамильтоном, годилась для картины пространства, в котором свойства только незначительно менялись от места к месту.

Интуитивная догадка Фарадея и ее преобразование Максвеллом в электромагнитную теорию света, представляющую собой по самой своей сути теорию силовых полей, придавала этому «полевому» типу теории огромный престиж. Как мы увидим, он должен был получить дальнейшее обобщение в теориях относительности Эйнштейна.

Непрерывность составляла доминирующее условие в теории физического поля, которая не легко могла примириться с прерывностью атомов и с еще большей прерывностью, открывшейся в квантовой теории. Как и в самом начале зарождения сознательного представления о физических явлениях, идея атомов казалась революционной и всегда связывалась с общим атеистическим и революционным направлением мысли. Поля, подобно совершенным геометрическим формам, имеют устойчивый и непрерывный характер. Такой взгляд казался значительно более безопасным с точки зрения физики, но попытка восстановить его представляла собой отступательный маневр, который не мог выдержать напора потока новых знаний, объяснимых только в рамках атомистической теории.

Беккерель и радиоактивность

К 1897 году атомы окончательно заняли свое место в физике благодаря тому, что, как зто ни парадоксально, они уже не были больше атомами, а проявили совершенно обескураживающую возможность дробиться. И не только тем простым способом, какой показал Дж. Дж. Том-сон. Одновременно было сделано еще одно открытие, имевшее даже еще большее значение. Не прошло и четырех месяцев после открытия рентгеновских лучей, как Беккерель (1852—1909) во Франции, думая, что рентгеновские лучи должны находиться в какой-то связи со свечением, появлявшимся в разрядных трубках, попытался выяснить, не имеют ли подобные свойства также и другие тела, которые испускали такое же свечение, как, например, минералы и соли, в частности соли урана. И, как это ни удивительно, оказалось, что они действительно обладали этим свойством. Здесь было нечто вроде подлинной случайности в истории науки. Намек, брошенный Анри Пуанкаре (1854— 1912), побудил Беккереля удостовериться, не было ли между рентгеновскими лучами и фосфоресценцией какой-нибудь связи. Отец его собрал великолепную коллекцию фосфоресцирующих веществ. Беккерель мог бы с таким же успехом выбрать цинковый сульфид, как и урановые соли, и открытие явления радиоактивности и всего того, что оно означало для атомной физики, могло бы задержаться еще на 50 лет. Кто знает, сколько еще таких же простых явлений, способных революционизировать нашу науку, скрыто вокруг нас.

Новые таинственные лучи, излучающиеся из урана, были также способны проникать в материю, и получались они без помощи какого-либо аппарата, сразу же из, казалось бы, инертных и неизменных химикалий.

Супруги Кюри и радий. Превращение атомов

Это открытие явилось еще более сильным ударом по физическим и химическим верованиям XIX века. Работа величайшего из химиков, самого Лавуазье, установила закон неизменности элементов. Он был установлен как прямое опровержение претензий старых алхимиков на возможность изменения или создания материи; здесь же как будто была материя, фактически самопроизвольно изменяющаяся, без малейшего стимула, который вызвал бы такое изменение. Это было в равной степени ударом по теории сохранения энергии. Откуда бралась энергия, столь очевидная в новых радиоактивных соединениях? Она могла исходить только изнутри самого атома. Но ведь чуть ли не бесконечно малое количество радиоактивного материала выделяло значительные количества энергии. Это означало, что энергия содержалась в атоме в количествах, которые и во сне не спились тем, кто потреблял энергию, производимую сжиганием топлива, на чем базировалась промышленность XIX века.

С той минуты, как была открыта радиоактивность, научный прогресс двинулся вперед быстрыми шагами, несомненно более быстрыми, чем в любой другой период истории науки. За короткий промежуток времени, в 6 лет, были раскрыты основные черты спонтанных изменений атомов. Пьер Кюри (1859— 1906) и его жена Мари (1867—1934), полька по происхождению, первая женщина—выдающийся ученый, что само по себе уже было знамением времени, нашли значительно более сильные источники, чем первоначально бравшийся уран. Они выделили элементы нового вида, такие, как полоний и радий, последний из которых был настолько мощным, что сам светился в темноте и мог причинять серьезный и в конечном счете роковой вред здоровью находившихся вблизи от него людей.

Резерфорд и Содди. Радиоактивные превращения

Резерфорд изучил характер самих радиации и показал, что один тип их, альфа-лучи, являлся чем-то опять-таки совершенно новым в науке. Эти лучи состояли из материальных частиц, выбрасывавшихся с немыслимыми скоростями. Резерфорд показал, что атом радия выделял из себя атомы гелия, который сам представлял собой редкий и странный элемент, первоначально обнаруженный на Солнце, в связи с характером излучаемого им света, после чего оставался другой атом—атом эманации радия. Это была алхимия, но естественная алхимия; ибо ничто из того, что мог сделать кто-либо до этого времени, не могло изменить скорости распада атомов и их превращения в другие атомы соответственно установленным правилам радиоактивного распада. Набожные люди принимали это открытие просто как еще одну неисповедимую тайну природы и утверждали, что разгадать ее не удастся никогда. С помощью, великолепного сочетания физических и химических приемов Резерфорд, находившийся тогда в Монреале и работавший с блестящим химиком Содди, проследил эти превращения и в период между 1899 и 1907 годами раскрыл целые семейства естественных превращений: одно из урана, одно из тория и одно из актиния. Каждый радиоактивный элемент излучал альфа-лучи или бета- и гамма-лучи и превращался в другой, причем всякое превращение заканчивалось соответствующим неактивным элементом—свинцом. В ходе изучения этого процесса выяснилось, что элементы не были простыми и однородными, что каждый элемент мог содержать ряд химически подобных атомов, однако физически распадающихся различным путем. Это были изотопы, которым суждено было так много дать позднее.

Планк и квантовая теория

Вначале такой хаос явлений настолько выходил из рамок существовавшей теории, что их приходилось принимать просто как голые факты. Но уже в то время другая отрасль физики дала ключ, который помог распутать эти загадки. Открытие электрона сразу же вызвало трудности в теории излучения света. Если свет производится вращающимися или колеблющимися электронами, то по мере утери электронами энергии в результате их радиации свет должен непрерывно изменять свой цвет. Однако совершенно очевидное свидетельство постоянства длины волны в оптических спектрах показывало, что в действительности таких изменений не происходило. Другое противоречие проявилось в теории теплоты. Согласно классической электромагнитной теории света, вся энергия нагретого тела должна быть сосредоточена в области коротких волн. Оно должно было бы выглядеть голубым, однако выглядит красным. Бесконечно игнорировать эти противоречия было невозможно; однако хотя Максу Планку (1858—1947) и удалось в 1900 году найти их объяснение, но он сумел избавиться от затруднения экспериментального порядка только для того, чтобы вызвать новое, имевшее теоретический характер. Планк фактически выдвинул предположение, что атомы отнюдь не могли отдавать энергию непрерывно, а выделяли ее порциями. Иными словами, он нашел, что энергия, подобно материи, была атомистичной, но что эта атомистичность заключалась не в самой энергии, а в любопытном количестве действия (или произведении энергии па время). Следовательно, существовал постоянный квант действия, или предельное количество действия, постоянная Планка (Л=6,6х 10~²⁷ эрг/сек), контролировавшая количественно все энергетические обмены в атомных системах.

Эйнштейн и фотон

Альберт Эйнштейн первым “практически применил вытекающий отсюда вывод в новой области физики. Он объяснил, почему электроны, выбиваемые из металла лучом окрашенного света, двигались с одной и той же скоростью независимо от того, был ли свет слабым или интенсивным. Они могли поглощать только такие кванты энергии, какими обладал свет; больше света означало больше квантов, а не более крупные кванты. Скорость, однако, зависела непосредственно от цвета, то есть от частоты света. Нарисованная Эйнштейном картина электронов, производимых светом, ударяющимся о металл, говорила о том, что один вид частиц, фотон, или атом света с частотой v, передавал свою энергию другому виду частиц, электрону, со скоростью и или энергией £, в соответствии с уравнением £=¹/₂mu²=/iv. Фактически он перевернул волновую теорию света и вернулся к старой идее Ньютона, утверждавшей, что свет состоит из частиц.

Атомное ядро

Полное применение квантовой теории к структуре атома должно было, однако, ожидать двух других решающих открытий. В 1910 году два сотрудника Резерфорда—Гейгер и Марсден—показали, что альфа-частицы, эти естественные снаряды, вместо того чтобы прямо пройти через тонкие слои материи, время от времени отбрасывались назад. Из этого удивительного результата Резерфорд (он сравнил это явление с пятнадцатидюймовым снарядом, отскакивающим от листа бумаги) сделал тот простой вывод, что частицы эти должны были ударяться о что-то очень маленькое и очень твердое. Фактически он понял, что атомы имеют ядро. Ядро было вторым партнером электрона, и поскольку электроны заряжены отрицательно, ядро должно иметь положительный заряд, в точности равный полному заряду окружающих его электронов. Как были расположены электроны? Эта проблема имела много любопытных аналогий с проблемой расположения планет в солнечной системе, озадачивавшей ученых эпохи Возрождения, и указывала на подобное же решение, которое, несомненно, удалось Ж. Перрену в 1901 году, но доказать которое было невозможно без наличия фактов, исходивших из совсем другой области, а именно — открытия волновой природы рентгеновских лучей.

Фон Лауэ и Брэгги. Рентгеновские лучи и кристаллы

В 1912 году фон Лауэ открыл, что рентгеновские лучи могут дифрагироваться кристаллами, что было весьма похоже на дифракцию обычного света любой структурой с тонкими бороздками, как, например, перо, тонкая ткань или граммофонная пластинка, где бороздки имеют величины, приближающиеся к длинам световых волн. Оказалось, что рентгеновские лучи дифрагируются объектами того же порядка величины, что и сами атомы, и поэтому имеют соответственно более короткие волны, чем свет. Это открытие фон Лауэ было столь же важным по своим последствиям, как и первоначальное открытие самих рентгеновских лучей. Первыми его подхватили Уильям и Лоренс Брэгги, отец и сын, показавшие возможность измерения длины волн рентгеновских лучей, а одновременно также и определения структуры кристаллов с точки зрения расположения составляющих их атомов.

Атом Резерфорда—Бора

Вскоре после этого, в 1913 году, исключительно талантливый молодой физик Мозли (1887—1915) (впоследствии убитый под Галлиполи), работая в лаборатории Резерфорда в Манчестере, измерил длину волн рентгеновских лучей ряда различных элементов и показал, что они подчиняются весьма простому закону, находясь в точной зависимости от порядкового номера атома пли от числа электронов в каждом виде атома. Между тем лаборатория Резерфорда в силу авторитета самого ученого уже привлекла к себе внимание некоторых самых блестящих умов, когда-либо совместно работавших в области физики. Среди них был молодой датчанин Нильс Бор, сумевший объединить все четыре изолированных момента: тяжелое ядро, обнаруженное в опыте с альфа-частицами, элементарные законы, открытые задолго до этого Баль-мером (1825—1898) в отношении частот в спектре водорода, закономерность для длин волн рентгеновских лучей различных элементов и квантовую теорию Планка, послужившую основой для объединения всех этих моментов. Подобно новому Кеплеру, он показал, что атом мог быть представлен как солнечная система, в которой каждый электрон имеет свою собственную орбиту, и что свет или рентгеновские лучи возникали только тогда, когда электрон перемещался с орбиты высокой энергии на другую, более низкой энергии.

Атом Резерфорда—Бора, атом XX века, теперь прочно занял свое место в том смысле, что, как это было с ньютоновой астрономией, он мог быть использован для предсказания свойств атомов, исходя из простого знания содержащегося в них числа электронов. Это объясняло, почему атомы могли излучать или поглощать свет только определенной частоты. Могли быть объяснены и сложные спектры, а также найдены уровни энергии электронов в различных атомах. Сама концепция уровня энергии является квантовой. Она означает, что каждая атомная или молекулярная структура может существовать в большом количестве состояний с различными характеристиками колебаний, подобно обертонам музыкального инструмента, и что разности энергий между состояниями могут быть найдены путем измерения частот излучаемого или поглощаемого света.

Новый атом в химии

Но идея атома Резерфорда—Бора могла сделать еще значительно больше. Она могла быть непосредственно использована для объяснения таинственных и капризных законов химии. Во-первых, она объясняла, почему различные атомы имеют специфические для каждого из них свойства; почему некоторые могут образовывать металлы, а другие нет и почему опять-таки некоторые представляют собой инертные газы. Особенно устойчивыми казались соединения с определенным числом электронов—2, 8, 18, 32. Если их было больше положенного числа, то дополнительный электрон или электроны находились в более свободном состоянии. В веществах, составленных из таких атомов, свет заставлял электроны легко колебаться и сильно отражался, что было характерным свойством металла. Если число электронов было меньше необходимого для образования комплекта, то электроны различных атомов сочетались так, чтобы возможно выгоднее распределить между собой свои заряды; результатом являлась неметаллическая нейтральная молекула, подобная молекулам газов или органическим молекулам. Если соединялись атомы металлов и неметаллов, то атом металла отдавал свой лишний электрон атому неметалла, становясь положительно заряженным ионом, а неметаллический ион, теперь заряженный отрицательно, соединялся с ним посредством простого электрического притяжения и образовывал соль. Таким образом получила физическое и количественное объяснение вся картина таблицы элементов, расположенных по семьям и рядам, к которой за 50 лет до того великий русский химик Менделеев пришел путем логического рассуждения. В таблицу эту входят 92 естественных элемента, от водорода до урана, потому что в пей имеются элементы, содержащие в своих ядрах 1, 2, 3, 4 и вплоть до 92 положительных зарядов, и каждый имеет свой собственный атомный номер.

Структура кристаллов

Открытия фон Лауэ и Брэггов должны были, однако, иметь еще и другие, более далеко идущие последствия. Путем анализа относительного расположения атомов в кристаллах Брэгги смогли создать новую структурную кристаллографию, которой, в свою очередь, суждено было изменить представления химиков о природе кристаллов и молекул. Казалось, был найден новый микроскоп, позволяющий увидеть расположение химических атомов. Он мог показать, с одной стороны, что молекул совсем не было в таких простых солях, как поваренная соль, представлявших собой правильные скопления положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора; с другой стороны, молекулы действительно существовали в таких веществах, как нафталин, где группы крепко сцепленных друг с другом атомов отделялись от других групп—химических молекул XIX века—большими пространствами. Фактически рентгеновский анализ должен был сначала подтвердить, а затем и уточнить структуру молекул, к которой химики пришли путем остроумной математической логики, основанной на превращениях этих молекул в другие. Там, где примените эти химические методы было невозможно, как, например, в области металлов и силикатов, рентгеновские лучи были непосредственно способны раскрыть атомную структуру и одновременно объяснить особые и полезные свойства таких веществ.

Похожие статьи:

1. Атом и время
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
3. Ньютон и Марат о притяже­нии лучей света
4. Чем  нам  дорог   солнечный   луч
5. Как были открыты космические лучи