Страницы истории науки и техники
Шрифт:
Как начало современной науки относят к XV–XVII вв., так началом атомной физики — науки, в задачи которой входит изучение строения и «жизни» атомов, — считают конец XIX — начало XX в.
Очень давно было установлено, что атомы очень малы, что невозможно их увидеть даже в любой самый сильный микроскоп. Однако посредством опыта английского физика Чарльза Вильсона (1869–1959) в 1912 г. было установлено, что в среде пересыщенного водяного пара вдоль движения заряженной частицы в результате конденсации пара возникает след (трек), состоящий из мелких капелек жидкости. Так можно было убедиться в существовании атомов. В настоящее время созданы специальные весьма совершенные устройства (пузырьковые
Сначала считали, что атом представляет собой индивидуальную частицу вещества, свойства которой являются необъяснимыми. В 1869 г. великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) открыл периодический закон химических элементов, согласно которому с увеличением атомной массы элементов их химические и физические свойства периодически повторяются. Менделеевым была составлена периодическая система элементов, которой в дальнейшем было присвоено его имя.
Рис. 42. Фотоэлектрический эффект.
Атомная физика как самостоятельная наука возникла на основе открытия электрона и радиоактивного излучения. Электрон — отрицательно заряженная микрочастица с массой всего лишь около 9·10–28 г, один из основных структурных элементов вещества, — был открыт известным английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856–1940), членом (с 1884 г.) и президентом (1915–1920 гг.) Лондонского королевского общества, иностранным почетным членом Академии наук СССР. Оказалось, что так называемые катодные лучи, испускаемые катодом и проходящие через сильно разреженные газы, представляют собой поток электронов. Изучение катодных лучей привело к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. На рис. 42 показан простейший опыт по фотоэлектрическому эффекту: свет, падающий на пластинку, вызывает испускание электронов, пластинка заряжается, что видно по разошедшимся листочкам электроскопа.
Рис. 43. Модель атома Дж. Дж. Томсона.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, было нетрудно заключить, что атом должен иметь в своем составе и положительно заряженные частицы.
В 1896 г. французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) впервые была обнаружена радиоактивность (от лат. radio — испускаю лучи и activus — действенный) солей урана. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости (о непревращаемости) атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов (о ядрах атомов будет сказано через несколько строк) и ядра других элементов (других атомов), происходящем в результате ядерных излучений. Оказалось также (это было чрезвычайно важно для медицины), что лучи, открытые Беккерелем, могли проникать в глубь вещества и поэтому являлись средством получения фотографий, например, внутренних органов человека.
Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером Кюри (1859–1906) и его супругой, Марией Склодовской-Кюри (1867–1934). Ими были открыты (1898 г.) новые элементы — полоний и радий. Было установлено, что радиоактивное излучение может быть двух видов: либо ядро радиоактивного элемента испускает -частицу (ядро атома гелия с положительным
Следует еще раз отметить, какое огромное значение для развития науки (а также для практики) имело открытие радиоактивности. Вспомним, что один из величайших химиков за всю историю науки — Лавуазье установил во второй половине XVIII в. закон неизменности элементов, опроверг стремления и надежды алхимиков получать одни химические элементы (прежде всего, конечно, золото) из других. И вдруг оказалось, что в результате радиоактивного излучения некоторые элементы превращаются — да еще самопроизвольно — в другие. Это ли не научная сенсация?
Конечно, с течением времени, кстати довольно короткого, явление радиоактивности и превращение одних (радиоактивных) элементов в другие (например, нерадиоактивные) нашло свое объяснение.
В исследованиях радиоактивности большое значение имели совместные работы знаменитого английского физика Эрнеста Резерфорда (1871–1937) и известного английского химика Фредерика Содди (1877–1956), проведенные в 1899–1907 гг. В качестве исходных радиоактивных элементов ими использовались уран, торий и актиний. Были обнаружены так называемые изотопы, т. е. разновидности одного и того же химического элемента, имеющие одинаковые химические свойства и занимающие одно и то же место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массой атомов.
Одна из первых моделей атома была предложена в 1903 г., уже знакомым нам Дж. Дж. Томсоном. Его модель (рис. 43) представляла собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее отрицательно заряженными электронами. Сохранение электроном определенного места в сфере есть результат, по Дж. Дж. Томсону, равновесия между положительным распределенным зарядом сферы и отрицательными зарядами электронов.
Но модель атома Дж. Дж. Томсона просуществовала сравнительно недолго. Опыты, начатые в 1907 г. Э. Резерфордом и его помощниками, в том числе немецким физиком Хансом Гейгером (1882–1945), дали результаты, которые не могли быть объяснены с помощью модели Дж. Дж. Томсона.
Прежде чем рассказывать об этих интереснейших опытах, скажем несколько слов о жизни и деятельности Эрнеста Резерфорда, так много сделавшего для развития атомной физики. Резерфорд, член Лондонского королевского общества, почетный член Академии наук СССР, родился в 1871 г. в Новой Зеландии, в семье мелкого фермера, четвертым из 12 детей. Окончил Новозеландский университет (г. Крайстчерч). 13 1894 г. переехал в Англию и был принят в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, где начал вести исследования под руководством Дж. Дж. Томсона. Большую часть жизни (с некоторыми перерывами во время работы в Монреальском и Манчестерском университетах) Резерфорд провел в Кембридже, будучи с 1919 г. директором Кавеидишской лаборатории. Он воспитал большое число высококвалифицированных физиков.
Опыты Резерфорда, показавшие неприемлемость модели атома Дж. Дж. Томсона, заключались в следующем. Имеющие высокую скорость а-частицы направлялись на тонкий слой вещества (например, фольгу). Эффект получался двух родов: подавляющее большинство «-частиц только немного изменяло свою траекторию — под влиянием электрического поля атомов вещества происходило рассеяние -частиц; небольшое число а-частиц, наоборот, как бы встретившись с непреодолимым препятствием, резко (более чем на 90°) изменяло направление своего полета.